Studies of Charged Higgs Boson Observability in the H->tb Decay at the ATLAS Experiment within the Minimal Supersymmetric Standard Model

This thesis presents a Monte Carlo study of the search for charged Higgs bosons heavier than the mass of the top quark within the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) at the ATLAS experiment at the CERN Large Hadron Collider. Charged Higgs bosons are predicted in many non-minimal Higgs extensions of the Standard Model. Their discovery would be a clear signal for the existence of New Physics beyond the Standard Model, possibly the first experimental evidence to be found if the MSSM is realized in nature. The feasibility of detecting the heavy charged Higgs boson with a mass up to 600 GeV is studied in the decay channel H+ → tb̄ for an integrated luminosity of 30 fb−1 at a center-of-mass energy of √ s= 10 TeV. A major difficulty for charged Higgs boson reconstruction is the combinatorial background in the complex multi-jet final state environment. It is shown that this can be overcome by applying a kinematic fitting procedure and by a subsequent cut-based event and candidate selection. An iterative solution of the developed kinematic fit with non-linear constraints is presented. In addition, the reconstruction of charged Higgs bosons makes high demands on the ability to identify jets containing b-hadrons. A special b-tagging algorithm is introduced and a comparison with first ATLAS data is presented showing good agreement of the expected performance. This study is performed with a realistic simulation of the ATLAS detector and takes into account all dominant experimental uncertainties and statistical uncertainties arising from limited Monte Carlo statistics. The result is given in terms of discovery and exclusion contours in the (mH+ , tanβ ) parameter space in the mh-max scenario of the MSSM. This study indicates that the heavy charged Higgs boson can be discovered in this decay channel only for large values of tanβ . It, however, can contribute to a combined H+ sensitivity including other decay channels. Compared to previous studies the discovery reach could be improved. Kurzfassung Die vorliegende Arbeit präsentiert eine Monte Carlo Studie zur Suche nach geladenen Higgs Bosonen mit einer Masse größer als die des top Quarks im Kontext des Minimal Supersymmetrischen Standardmodells (MSSM) am ATLAS Experiment am CERN Large Hadron Collider. Geladene Higgs Bosonen werden von vielen Erweiterungen des Standardmodells vorhergesagt. Ihre Entdeckung wäre ein klares Indiz für neue Physik jenseits des Standardmodells, möglicherweise der erste experimentelle Befund für das MSSM. Eine Machbarkeitsstudie zur Entdeckung geladener Higgs Bosonen mit Massen bis zu 600 GeV im Zerfallskanal H+ → tb̄ für eine integrierte Luminosität von 30 fb−1 und einer Schwerpunktsenergie von √ s= 10 TeV wird vorgestellt. Eine der Hauptschwierigkeiten bei der Rekonstruktion geladener Higgs Bosonen ist der durch den komplexen Endzustand mit vielen Jets auftretende kombinatorische Untergrund. Es wird gezeigt, dass die Rekonstruktion durch Anwendung eines kinematischen Fits mit anschließender schnittbasierter Ereignisund Kandidatenselektion möglich ist. Eine iterative Lösung des entwickelten kinematischen Fits mit nicht-linearen Zwangsbedingungen wird vorgestellt. Des Weiteren stellt die Rekonstruktion geladener Higgs Bosonen hohe Ansprüche an die Möglichkeit, Jets, welche b-Hadronen beinhalten, zu identifizieren. Ein spezieller b-tagging Algorithmus wird vorgestellt und ein Vergleich mit den ersten ATLAS Daten zeigt eine gute Übereinstimmung mit den erwarteten Eigenschaften. Die Studie wurde mit einer realistischen ATLAS Detektorsimulation durchgeführt und beinhaltet alle dominanten experimentellen Unsicherheiten sowie die statistische Unsicherheiten aufgrund begrenzt vorhandener simulierter Ereignisse. Die erwarteten Entdeckungsund Ausschlusskonturen im mh-max Szenario des MSSM werden als Funktion der geladenen Higgs Boson Masse und tanβ gegeben. Die durchgeführte Studie zeigt, dass geladene Higgs Bosonen in diesem Zerfallskanal nur bei großen Werten von tanβ entdeckt werden können. Dennoch kann dieser Zerfallskanal zur H+ Sensitivität beitragen, wenn andere Zerfallskanäle mit in Betracht gezogen werden. Im Vergleich zu vorherigen Studien konnte die Sensitivität erhöht werden.