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Title: Identification of hadronic tau lepton decays using a deep neural network
Abstract A new algorithm is presented to discriminate reconstructed hadronic decays of tau leptons ( τ h ) that originate from genuine tau leptons in the CMS detector against τ h candidates that originate from quark or gluon jets, electrons, or muons. The algorithm inputs information from all reconstructed particles in the vicinity of a τ h candidate and employs a deep neural network with convolutional layers to efficiently process the inputs. This algorithm leads to a significantly improved performance compared with the previously used one. For example, the efficiency for a genuine τ h to pass the discriminator against jets increases by 10–30% for a given efficiency for quark and gluon jets. Furthermore, a more efficient τ h reconstruction is introduced that incorporates additional hadronic decay modes. The superior performance of the new algorithm to discriminate against jets, electrons, and muons and the improved τ h reconstruction method are validated with LHC proton-proton collision data at √ s = 13 TeV.  more » « less
Award ID(s):
2121686
NSF-PAR ID:
10374152
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of Instrumentation
Volume:
17
Issue:
07
ISSN:
1748-0221
Page Range / eLocation ID:
P07023
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. null (Ed.)
    Abstract The rate for Higgs ( $${\mathrm{H}} $$ H ) bosons production in association with either one ( $${\mathrm{t}} {\mathrm{H}} $$ t H ) or two ( $${\mathrm{t}} {{\overline{{{\mathrm{t}}}}}} {\mathrm{H}} $$ t t ¯ H ) top quarks is measured in final states containing multiple electrons, muons, or tau leptons decaying to hadrons and a neutrino, using proton–proton collisions recorded at a center-of-mass energy of $$13\,\text {TeV} $$ 13 TeV by the CMS experiment. The analyzed data correspond to an integrated luminosity of 137 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The analysis is aimed at events that contain $${\mathrm{H}} \rightarrow {\mathrm{W}} {\mathrm{W}} $$ H → W W , $${\mathrm{H}} \rightarrow {\uptau } {\uptau } $$ H → τ τ , or $${\mathrm{H}} \rightarrow {\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} $$ H → Z Z decays and each of the top quark(s) decays either to lepton+jets or all-jet channels. Sensitivity to signal is maximized by including ten signatures in the analysis, depending on the lepton multiplicity. The separation among $${\mathrm{t}} {\mathrm{H}} $$ t H , $${\mathrm{t}} {{\overline{{{\mathrm{t}}}}}} {\mathrm{H}} $$ t t ¯ H , and the backgrounds is enhanced through machine-learning techniques and matrix-element methods. The measured production rates for the $${\mathrm{t}} {{\overline{{{\mathrm{t}}}}}} {\mathrm{H}} $$ t t ¯ H and $${\mathrm{t}} {\mathrm{H}} $$ t H signals correspond to $$0.92 \pm 0.19\,\text {(stat)} ^{+0.17}_{-0.13}\,\text {(syst)} $$ 0.92 ± 0.19 (stat) - 0.13 + 0.17 (syst) and $$5.7 \pm 2.7\,\text {(stat)} \pm 3.0\,\text {(syst)} $$ 5.7 ± 2.7 (stat) ± 3.0 (syst) of their respective standard model (SM) expectations. The corresponding observed (expected) significance amounts to 4.7 (5.2) standard deviations for $${\mathrm{t}} {{\overline{{{\mathrm{t}}}}}} {\mathrm{H}} $$ t t ¯ H , and to 1.4 (0.3) for $${\mathrm{t}} {\mathrm{H}} $$ t H production. Assuming that the Higgs boson coupling to the tau lepton is equal in strength to its expectation in the SM, the coupling $$y_{{\mathrm{t}}}$$ y t of the Higgs boson to the top quark divided by its SM expectation, $$\kappa _{{\mathrm{t}}}=y_{{\mathrm{t}}}/y_{{\mathrm{t}}}^{\mathrm {SM}}$$ κ t = y t / y t SM , is constrained to be within $$-0.9< \kappa _{{\mathrm{t}}}< -0.7$$ - 0.9 < κ t < - 0.7 or $$0.7< \kappa _{{\mathrm{t}}}< 1.1$$ 0.7 < κ t < 1.1 , at 95% confidence level. This result is the most sensitive measurement of the $${\mathrm{t}} {{\overline{{{\mathrm{t}}}}}} {\mathrm{H}} $$ t t ¯ H production rate to date. 
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  2. null (Ed.)
    A bstract In this paper, a new technique for reconstructing and identifying hadronically decaying τ + τ − pairs with a large Lorentz boost, referred to as the di- τ tagger, is developed and used for the first time in the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider. A benchmark di- τ tagging selection is employed in the search for resonant Higgs boson pair production, where one Higgs boson decays into a boosted $$ b\overline{b} $$ b b ¯ pair and the other into a boosted τ + τ − pair, with two hadronically decaying τ -leptons in the final state. Using 139 fb − 1 of proton-proton collision data recorded at a centre-of-mass energy of 13 TeV, the efficiency of the di- τ tagger is determined and the background with quark- or gluon-initiated jets misidentified as di- τ objects is estimated. The search for a heavy, narrow, scalar resonance produced via gluon-gluon fusion and decaying into two Higgs bosons is carried out in the mass range 1–3 TeV using the same dataset. No deviations from the Standard Model predictions are observed, and 95% confidence-level exclusion limits are set on this model. 
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  3. null (Ed.)
    Abstract This paper describes a study of techniques for identifying Higgs bosons at high transverse momenta decaying into bottom-quark pairs, $$H \rightarrow b\bar{b}$$ H → b b ¯ , for proton–proton collision data collected by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy $$\sqrt{s}=13$$ s = 13   $$\text {TeV}$$ TeV . These decays are reconstructed from calorimeter jets found with the anti- $$k_{t}$$ k t $$R = 1.0$$ R = 1.0 jet algorithm. To tag Higgs bosons, a combination of requirements is used: b -tagging of $$R = 0.2$$ R = 0.2 track-jets matched to the large- R calorimeter jet, and requirements on the jet mass and other jet substructure variables. The Higgs boson tagging efficiency and corresponding multijet and hadronic top-quark background rejections are evaluated using Monte Carlo simulation. Several benchmark tagging selections are defined for different signal efficiency targets. The modelling of the relevant input distributions used to tag Higgs bosons is studied in 36 fb $$^{-1}$$ - 1 of data collected in 2015 and 2016 using $$g\rightarrow b\bar{b}$$ g → b b ¯ and $$Z(\rightarrow b\bar{b})\gamma $$ Z ( → b b ¯ ) γ event selections in data. Both processes are found to be well modelled within the statistical and systematic uncertainties. 
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  4. A bstract Measurements of the production cross-sections of the Standard Model (SM) Higgs boson ( H ) decaying into a pair of τ -leptons are presented. The measurements use data collected with the ATLAS detector from pp collisions produced at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb − 1 . Leptonic ( τ → ℓν ℓ ν τ ) and hadronic ( τ → hadrons ν τ ) decays of the τ -lepton are considered. All measurements account for the branching ratio of H → ττ and are performed with a requirement |y H | < 2 . 5, where y H is the true Higgs boson rapidity. The cross-section of the pp → H → ττ process is measured to be 2 . 94 ± $$ 0.21{\left(\mathrm{stat}\right)}_{-0.32}^{+0.37} $$ 0.21 stat − 0.32 + 0.37 (syst) pb, in agreement with the SM prediction of 3 . 17 ± 0 . 09 pb. Inclusive cross-sections are determined separately for the four dominant production modes: 2 . 65 ± $$ 0.41{\left(\mathrm{stat}\right)}_{-0.67}^{+0.91} $$ 0.41 stat − 0.67 + 0.91 (syst) pb for gluon-gluon fusion, 0 . 197 ± $$ 0.028{\left(\mathrm{stat}\right)}_{-0.026}^{+0.032} $$ 0.028 stat − 0.026 + 0.032 (syst) pb for vector-boson fusion, 0 . 115 ± $$ 0.058{\left(\mathrm{stat}\right)}_{-0.040}^{+0.042} $$ 0.058 stat − 0.040 + 0.042 (syst) pb for vector-boson associated production, and 0 . 033 ± $$ 0.031{\left(\mathrm{stat}\right)}_{-0.017}^{+0.022} $$ 0.031 stat − 0.017 + 0.022 (syst) pb for top-quark pair associated production. Measurements in exclusive regions of the phase space, using the simplified template cross-section framework, are also performed. All results are in agreement with the SM predictions. 
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  5. A<sc>bstract</sc>

    The results of a search for Higgs boson pair (HH) production in the WW*WW*, WW*ττ, andττττdecay modes are presented. The search uses 138 fb1of proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at the LHC at a center-of-mass energy of 13 TeV from 2016 to 2018. Analyzed events contain two, three, or four reconstructed leptons, including electrons, muons, and hadronically decaying tau leptons. No evidence for a signal is found in the data. Upper limits are set on the cross section for nonresonant HH production, as well as resonant production in which a new heavy particle decays to a pair of Higgs bosons. For nonresonant production, the observed (expected) upper limit on the cross section at 95% confidence level (CL) is 21.3 (19.4) times the standard model (SM) prediction. The observed (expected) ratio of the trilinear Higgs boson self-coupling to its value in the SM is constrained to be within the interval −6.9 to 11.1 (−6.9 to 11.7) at 95% CL, and limits are set on a variety of new-physics models using an effective field theory approach. The observed (expected) limits on the cross section for resonant HH production range from 0.18 to 0.90 (0.08 to 1.06) pb at 95% CL for new heavy-particle masses in the range 250–1000 GeV.

     
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