Phase-II Tracking in ATLAS and search for ttHH production using Run-2 and Run-3 LHC Data
Authors/Creators
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1.
Laboratory of Instrumentation and Experimental Particles Physics
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2.
University of Coimbra
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3.
European Organization for Nuclear Research
Contributors
Supervisors:
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1.
University of Coimbra
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2.
Laboratory of Instrumentation and Experimental Particles Physics
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3.
European Organization for Nuclear Research
Description
Following the discovery of the Higgs boson, the precise measurement of its properties and their consistency with Standard Model (SM) predictions remains a central goal of the physics program at the Large Hadron Collider (LHC). While current measurements align with the SM predictions, unanswered questions suggest the potential for new physics beyond the SM (BSM). The first part of this thesis presents the first ATLAS search for Higgs boson pair production ($HH$) associated with top quarks ($t\bar{t}HH$), a rare process that provides direct access to BSM physics through the quartic top-Higgs coupling, offering unique opportunities to probe the Higgs sector of the SM and the electroweak symmetry breaking (EWSB) mechanism.
This thesis establishes observed (expected) 95% confidence level upper limits on the SM $t\bar{t}HH$ production cross-sections of 30.8 (24.6) times the SM in leptonic final states, using the full Run 2 and partial Run 3 datasets, corresponding to integrated luminosities of 140 and 59 fb$^{-1}$, respectively. No significant excess in data above the SM expectations is seen. Additionally, the results are interpreted within the framework of Effective Field Theories by establishing limits on the top-Higgs quartic interaction.
The second part of this dissertation also discusses the experimental challenges and opportunities presented by the High-Luminosity LHC (HL-LHC). The increased luminosity will enable precision measurements of the Higgs self-coupling and provide enhanced sensitivity to BSM physics. Key detector upgrades, such as the Inner Tracker (ITk) and improved $b$-jet tagging, photon reconstruction, and tau identification, are crucial for maximising the sensitivity of $HH$ searches, including $t\bar{t}HH$.
This thesis describes ongoing efforts to address the computational challenges of Phase-II tracking at the HL-LHC. The expected Phase-II ITk tracking physics and computational performance is evaluated. It details improvements in the A Common Tracking Software (ACTS) framework, focusing on the implementation and optimization of the ITk seeding algorithm. Finally, the current expected tracking performance of the ACTS algorithms are presented together with a discussion on CPU optimisation.
Abstract (Portuguese)
Após a descoberta do bóson de Higgs, a medição precisa de suas propriedades e a verificação de sua consistência com as previsões do Modelo Padrão (SM) continuam sendo um objetivo central do programa de física do Large Hadron Collider (LHC). Embora as medições atuais estejam alinhadas com as previsões do SM, questões ainda não respondidas sugerem a possibilidade de nova física além do SM (BSM). A primeira parte desta tese apresenta a primeira busca da ATLAS pela produção em pares do bóson de Higgs ($HH$) associada a quarks top ($t\bar{t}HH$), um processo raro que fornece acesso direto à física BSM por meio do acoplamento quártico top-Higgs, oferecendo oportunidades únicas para explorar o setor de Higgs do SM e o mecanismo de quebra espontânea da simetria eletrofraca (EWSB).
Esta tese estabelece limites superiores observados (esperados) ao nível de 95% de confiança para a secção-eficaz de produção de $t\bar{t}HH$ no SM de 30.8 (24.6) vezes o valor previsto pelo SM em estados finais leptônicos, utilizando os conjuntos de dados completos do Run 2 e uma parte do Run 3, correspondendo a luminosidades integradas de 140 e 59 fb$^{-1}$, respectivamente. Nenhum excesso significativo nos dados acima das expectativas do SM foi observado. Além disso, os resultados são interpretados no contexto das Teorias Efetivas de Campo, estabelecendo limites para a interação quártica top-Higgs.
A segunda parte desta dissertação também discute os desafios experimentais e as oportunidades apresentadas pelo High-Luminosity LHC (HL-LHC). O aumento da luminosidade permitirá medições de precisão do autoacoplamento de Higgs e proporcionará maior sensibilidade à física BSM. Atualizações importantes no detector, como o Inner Tracker (ITk) e melhorias na identificação de jatos $b$, reconstrução de fótons e identificação de taus, são cruciais para maximizar a sensibilidade das buscas por $HH$, incluindo $t\bar{t}HH$.
Esta tese descreve os esforços em andamento para enfrentar os desafios computacionais da reconstrução da trajetória das particulas na Fase II do HL-LHC. O desempenho esperado da reconstrução em termos de física e computação na Fase II é avaliado. São detalhadas melhorias no software A Common Tracking Software (ACTS), com foco na implementação e otimização do algoritmo de seeding do ITk. Finalmente, o desempenho atual esperado dos algoritmos de reconstrução do ACTS é apresentado, juntamente com uma discussão sobre otimização de CPU.
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Additional titles
- Translated title (Portuguese)
- Reconstrução de traços em ATLAS e procura pela produção de ttHH em dados dos runs 2 e 3 do LHC
- Alternative title (English)
- Phase-II Tracking in ATLAS and search for $t\bar{t}HH$ production using Run-2 and Run-3 LHC Data
Identifiers
- CDS
- 2912217
Related works
- Cites
- Text: arXiv:2412.15090 (arXiv)
- Conference proceeding: 10.5281/zenodo.14246397 (DOI)
- Is version of
- Thesis: 2970782 (Inspire)