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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
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
More Like this
  1. 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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  2. 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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  3. A bstract The first measurement of the top quark pair ( $$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ ) production cross section in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 . 6 TeV is presented. Data recorded with the CMS detector at the CERN LHC in Summer 2022, corresponding to an integrated luminosity of 1 . 21 fb − 1 , are analyzed. Events are selected with one or two charged leptons (electrons or muons) and additional jets. A maximum likelihood fit is performed in event categories defined by the number and flavors of the leptons, the number of jets, and the number of jets identified as originating from b quarks. An inclusive $$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ production cross section of 881 ± 23 (stat + syst) ± 20 (lumi) pb is measured, in agreement with the standard model prediction of $$ {924}_{-40}^{+32} $$ 924 − 40 + 32 pb. 
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  4. Abstract A study of the charge conjugation and parity ( $$\textit{CP}$$ CP ) properties of the interaction between the Higgs boson and $$\tau $$ τ -leptons is presented. The study is based on a measurement of $$\textit{CP}$$ CP -sensitive angular observables defined by the visible decay products of $$\tau $$ τ -leptons produced in Higgs boson decays. The analysis uses 139 fb $$^{-1}$$ - 1 of proton–proton collision data recorded at a centre-of-mass energy of $$\sqrt{s}= 13$$ s = 13  TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. Contributions from $$\textit{CP}$$ CP -violating interactions between the Higgs boson and $$\tau $$ τ -leptons are described by a single mixing angle parameter $$\phi _{\tau }$$ ϕ τ in the generalised Yukawa interaction. Without constraining the $$H\rightarrow \tau \tau $$ H → τ τ signal strength to its expected value under the Standard Model hypothesis, the mixing angle $$\phi _{\tau }$$ ϕ τ is measured to be $$9^{\circ } \pm 16^{\circ }$$ 9 ∘ ± 16 ∘ , with an expected value of $$0^{\circ } \pm 28^{\circ }$$ 0 ∘ ± 28 ∘ at the 68% confidence level. The pure $$\textit{CP}$$ CP -odd hypothesis is disfavoured at a level of 3.4 standard deviations. The results are compatible with the predictions for the Higgs boson in the Standard Model. 
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  5. 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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