Investigation of the Higgs self-coupling in the bbττ final state with the CMS experiment at the LHC and preparation for high-luminosity with the addition of the MIP Timing Detector

Among Higgs measurements, Higgs boson pair production offers a unique probe to directly measure the Higgs potential. However this process has a low cross section and has not been yet observed at the LHC, while enough data for its observation will be provided by the HL- LHC. This thesis followed a dual approach to increase sensitivity to HH searches in CMS. On one side, it contributed to searches using current LHC data; on the other, it focused on improving detector technologies for HL-LHC, particularly the MIP Timing Detector, which will be necessary for optimal event reconstruction. For the HH searches, this thesis focused on HH → bbττ decay channel. The definition of a new category targeting boosted topologies of the H → bb decay was introduced and tested within the resonant search with Run 2 data, where it demonstrates a gain in analysis sensitivity at high resonance masses. With the first Run 3 data, the non-resonant search was developed and this new category was integrated in the analysis workflow and optimized to handle such events. Expected upper limit at 95% CL on the production cross section results to be 5.7 times the SM expectation, with the Higgs self- coupling modifier constrained to [-3.75, 10.5] and the HHVV coupling to [-0.75, 2.95]. Even with improved analysis techniques, HH remains unobserved and requires a larger dataset such the one that will be provided by the HL-LHC. Though, the extreme radiation and pileup conditions expected at HL-LHC require major detector upgrades. In CMS, the addition of precision timing is expected to mitigate the effect of pileup on event reconstruction, with an expected impact on HH analysis significance equivalent to 2–3 extra years of data-taking. Large part of this thesis was dedicated to the R&D, and optimization of sensor module design constituting the barrel section of the MTD, the Barrel Timing Layer (BTL). Sensors are made with LYSO:Ce crystal bars read out by SiPMs. First prototypes with different characteristics were extensively tested on beam under different irradiation and temperature conditions to define the best configuration capable of providing the target performance of 30-60 ps time resolution. Comparative studies guided the choice of SiPMs with 25 μm cell pitch and modules of 3.75 mm thickness. Results confirm that BTL meets design goals, achieving 30 ps resolution at the beginning of operation, degrading to 60 ps during operation at HL-LHC, as a consequence of radiation damage. The thorough R&D effort culminated in the start of production, whose procedures and QA/QC have been defined and tested to ensure uniformity among the four assembly centers that are currently producing the BTL. Currently, a production yield of 95% has been achieved for sensor modules, with about 25% of detector segments already produced. Integration into the CMS mechanical support is scheduled to begin in January 2026, with completion by the end of the year.

Tra le misure del bosone di Higgs, la produzione di coppie di bosoni di Higgs rappresenta un mezzo unico per misurare direttamente il potenziale di Higgs. Tuttavia, questo processo presenta una sezione d’urto molto bassa e non è stato ancora osservato a LHC, mentre la quantità di dati necessaria alla sua osservazione sarà fornita da HL-LHC. Questa tesi ha seguito un approccio duale per aumentare la sensibilità delle ricerche di produzione di coppie di Higgs (HH) nell’esperimento di CMS. Da un lato, ha contribuito alle analisi basate sui dati attuali di LHC; dall’altro, si è concentrata sul miglioramento delle tecnologie di rivelatori in vista di HL-LHC, in particolare sul MIP Timing Detector, necessario per una ricostruzione ottimale degli eventi. Per quanto riguarda le ricerche di HH, la tesi si è focalizzata sul canale di decadimento HH → bbττ. È stata definita una nuova categoria dedicata alle topologie “boosted” del decadimento H → bb, introdotta e testata nell’ambito della ricerca risonante con i dati di Run 2, dove ha mostrato un aumento della sensibilità dell’analisi di risonanze ad alta massa. Con i primi dati di Run 3, è stata sviluppata la ricerca non risonante, integrando questa nuova categoria nel flusso di analisi e ottimizzandola per la selezione di tali eventi. Il limite superiore atteso al 95% CL sulla sezione d’urto di produzione risulta pari a 5.7 volte il valore previsto dal Modello Standard, con l’Higgs self-coupling modifier vincolato nell’intervallo [-3.75, 10.5] e l’accoppiamento HHVV nell’intervallo [-0.75, 2.95]. Anche con tecniche di analisi migliorate, non è ancora stato possibile osservare il processo HH. Ciò richiede un campione di dati più ampio, come quello che sarà fornito dall’HL-LHC. Tuttavia, le condizioni estreme di radiazione e “pileup” previste a HL- LHC richiedono importanti modifiche dei rivelatori. In CMS, l’aggiunta di un sistema in grado di misurare con precisione il tempo di produzione delle particelle permette di mitigare gli effetti del pileup sulla ricostruzione degli eventi, con un impatto atteso sulle analisi HH equivalente a 2–3 anni aggiuntivi di presa dati. Gran parte di questa tesi è stata dedicata all’attività di R&D e ottimizzazione dei sensori che costituiscono la sezione del barrel del MIP Timing Detector, i.e. Barrel Timing Layer (BTL). I sensori sono costituiti da barre di cristallo LYSO:Ce accoppiate a SiPM. I primi prototipi, con differenti caratteristiche, sono stati estensivamente testati con fasci di particelle in diverse condizioni di irraggiamento e temperatura di operazione, al fine di definire la configurazione ottimale capace di garantire le prestazioni richieste di risoluzione temporale di 30–60 ps. Studi comparativi hanno guidato la definizione di un design finale con SiPM con celle di 25 μm e moduli di spessore pari a 3.75 mm. I risultati confermano che BTL soddisfa i requisiti di progetto, raggiungendo una risoluzione temporale di 30 ps all’inizio del funzionamento, che degrada a 60 ps durante l’operazione a HL-LHC, a causa del danno da radiazione. La conclusione del lavoro di R&D ha segnato l’avvio della produzione, le cui procedure e attività di QA/QC sono state definite e testate per garantire l’uniformità tra i quattro centri di assemblaggio attualmente impegnati nella costruzione del BTL. Attualmente è stato raggiunto un rendimento di produzione del 95% per i moduli, con circa il 25% dei segmenti di rivelatore già prodotti. L’integrazione nella struttura meccanica di CMS è prevista a partire da gennaio 2026, con completamento entro la fine dell’anno.