Search for resonant WZ production in the fully leptonic final state with the ATLAS detector

Abstract

Diboson resonance searches are an essential test of electroweak symmetry breaking theories beyond the Standard Model (SM) of particle physics. Vector or scalar resonances decaying to dibosons are predicted by various models going beyond theSM, such as Grand Unified theories, Little Higgs models, Composite Higgs models or models with extended Higgs sector (such as Super Symmetry (SUSY) or two-Higgs-doublet models). This thesis presents a search for resonant WZ production in the fully leptonic decay channel ℓν ℓℓ (ℓ = e or μ) with two production modes : quark-antiquark fusion or vector-boson fusion. Using 36.1 fb−1 of recent data collected by the ATLAS detector in pp collisions delivered by the Large Hadron Collider (LHC) at 13 TeV, constraints are obtained on models going beyond the SM. Since this analysis considers the fully leptonic decays of the vector bosons, events with exactly three leptons in the final state and a substantial missing transverse energy are selected. One signal region is established for each production mode of the resonance, either by quark-antiquark or vector boson fusion. For heavy vectorial resonances produced by quark fusion the W and Z bosons are required to carry a substantial fraction of the resonance energy (pWT /mWZ > 0.35 and pZT /mWZ > 0.35)). Events with resonances produced by vector boson fusion are characterised by two jets with a large invariant mass and a large separation in pseudorapidity. Therefore, in the search for this production mode, events are required to have at least two jets with an invariant mass (mj j ) greater than 500 GeV and a separation in pseudorapidity ( ηj j ) of at least | ηj j | > 3.5. In each signal region the distribution of the invariant mass of the WZ system will then be examined to determine the presence or absence of new resonances that manifest themselves as localised excesses in the invariant mass of the diboson system (mWZ). No significant excess was observed in the signal regions. Limits have then been set on the cross section times branching ratio for a heavy vector resonance produced by either quark-antiquark or vector boson fusion. Additionally, limits on the coupling parameters and masses are obtained for a charged Higgs boson in the Georgi-Machacek produced by vector boson fusion.

Les recherches de résonances di-boson constituent un test essentiel des théories de brisure de symétrie électrofaible au-delà du modèle standard (MS). Plusieurs scénarios, comme les théories de grande unification, les modèles Little Higgs, les modèles de Higgs Composés ou celles avec un secteur de Higgs élargi (par example SUSY ou le two-Higgsdoublet model), prédisent des résonances vectorielles ou scalaires. Cette thèse présente une recherche de résonances lourdes se désintégrant en WZ dans le canal leptonique WZ → ℓν ℓℓ (ℓ = e ou μ). Deux modes de production sont considérés : par fusion de quark-antiquark ou par fusion de boson vectoriels. Se basant sur les récentes données recueillies par le détecteur ATLAS lors de collisions pp à 13 TeV au LHC au cours des années 2015 et 2016, avec une luminosité intégrée de 36.1 fb−1, on établira des contraintes sur des modèles allant au-delà du MS de la physique des particules. Puisqu’on considère la désintégration leptonique des bosons WZ, on sélectionne les événements ayant trois leptons et une grande énergie transverse manquante. Des régions de signal sont choisies pour chaque mode de production : fusion par quarks ou par bosons vectoriels. Pour les résonances produites par fusion de quark, on considère des résonances vectorielles lourdes. On sélectionne donc des événements où les bosonW et Z portent une fraction importante de l’énergie de masse de la résonance (pWT /mWZ > 0.35 et pZT /mWZ > 0.35). Les résonances produites par fusion de bosons sont caractérisées par deux jets ayant une grande séparation en pseudorapidité et une grande masse invariante. Pour la région de signal, dans ce cas, on requiert alors au moins deux jets avec une masse invariante supérieure à mj j > 500 GeV et une grande séparation en pseudorapidité | ηj j | > 3.5. Pour les deux régions, la distribution en masse invariante du système WZ sera examinée pour déterminer la présence ou non de nouvelles résonances qui se manifesteraient par un excès localisé. En fin de compte, aucun excès significatif n’a été observé dans les régions de signal, ce qui permet d’établir des limites sur le produit de la section efficace et du rapport d’embranchement d’un boson massif vectoriel dans les deux canaux de production. Des contraintes sont également obtenues sur la masse et le couplage d’un boson de Higgs chargé du modèle Georgi-Machacek, produites par fusion de bosons vectoriels.