Measurement of the Brout-Englert-Higss boson decaying to two W bosons in the fully leptonic final state with the CMS detector at the Large Hadron Collider

Datum: 16 juli 2014

Locatie: Campus Middelheim - Lokaal G0.10 - Middelheimlaan 1 - 2020 Antwerpen

Tijdstip: 13 uur

Organisatie / co-organisatie: Departement Fysica

Promovendus: Sten Luyckx

Promotor: Nick Van Remortel

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Sten Luyckx - Departement Fysica

Abstract: De wetten van de natuur kunnen op microscopisch niveau geformuleerd worden met behulp van fundamentele elementaire deeltjes. Jarenlang onderzoek en steeds krachtigere versnellers hebben geleid tot de ontwikkeling van het standaardmodel, een kwantumveldentheorie gebaseerd op symmetriebehoud. Deze theorie beschrijft de dynamica van de elementaire deeltjes en de fundamentele interacties. Materie wordt beschreven als een samenstelling van twaalf fermionen die interageren door de uitwisseling van vectorbosonen, de dragers van de fundamentele interacties: het elektromagnetisme en de sterke en de zwakke kernkracht.

Ondanks haar capaciteit om verschillende experimentele resultaten met grote precisie succesvol te voorspellen, is de theorie van het standaardmodel nog steeds niet volledig begrepen. Een van de openstaande vragen is het probleem van de elektrozwakke symmetriebreking: waar komt de massa van de deeltjes vandaan vermits alle deeltjes massaloos zouden moeten zijn wegens het behoud van de fundamentele symmetrieën welke verantwoordelijk zijn voor het bestaan van de drie interacties? Een oplossing voor dit probleem werd in 1964 gevonden door Brout, Englert, Higgs, Guralnik, Hagen en Kibble. In hun voorgesteld mechanisme ontstaat de massa van een deeltje door zijn interactie met een extra veld, genaamd het Brout-Englert-Higgs (BEH) veld. Het fundamentele deeltje geassocieerd met dit veld, het BEH boson of kortweg het Higgs boson, is het deeltje waar deeltjesfysici afgelopen decennia uitvoerig naar hebben gezocht en komende decennia nog steeds een grote aandacht aan zullen schenken.

De grootste en meest krachtige versneller, aangewend binnen deze zoektocht, is momenteel de Large Hadron Collider (LHC), gesitueerd te CERN in Genève. De LHC laat bundels van relativistische protonen frontaal op elkaar botsen met een maximale massamiddelpuntsenergie van 14 TeV. De LHC, operationeel sinds 2009, is omringd door verschillende experimenten, waaronder het Compact Muon Solenoid (CMS) experiment, waar het onderzoek van deze thesis werd verricht. Een van de belangrijke korte termijn doelstellingen van het CMS experiment is de ontdekking van het Higgs boson door de overblijfselen van de botsingen te bestuderen.
Op 4 juli 2012 kondigden zowel de ATLAS als de CMS collaboratie de observatie van een nieuw deeltje aan, een waarneming onafhankelijk van elkaar waarbij het deeltje telkens in overeenstemming is met het Higgs boson. De massa van het gevonden deeltje bedraagt 125 GeV en leidde tot de uitreiking van de Nobel Prijs voor F. Englert and P. Higgs voor het opstellen van hun Brout-Englert-Higgs mechanisme welke de verschillende elementaire deeltjes voorziet van massa.

Deze thesis omvat een gedetailleerde beschrijving van de theoretische en experimentele activiteiten omtrent een van de belangrijke vervalkanalen dat bijgedragen heeft tot de ontdekking van het Higgs boson: De meting van het Brout-Englert-Higgs boson via het vervalkanaal naar twee W bosonen in de volledig leptonische eindtoestand gebruik makende van de CMS detector bij de LHC. De gepresenteerde resultaten zijn gebaseerd op de volledige 2011 en 2012 dataset verkregen bij een massamiddelpuntsenergie van respectievelijk 7 en 8 TeV.