Feasibility of the SM Higgs boson search in the channel H ->ZZ^*->mumubb via VBF at sqrt(s)=7TeV with the CMS experiment.

One of the main goals of the now-running Large Hadron Collider (LHC) machine at CERN in Geneva is to elucidate the mechanism of electroweak symmetry breaking, and in particular to determine whether a Standard Model Higgs boson exists or not. For this aim, and in general to explore the high-energy frontier of particle physics, the LHC produces proton-proton collisions in the core of two multi-purpose experiments: ATLAS and CMS. In the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment one of the most promising discovery modes of the Higgs boson is the one involving the decay into two Z bosons, with a subsequent decay of the Z pair in a fully leptonic final state. Among the various production mechanisms for the Higgs boson, vector-boson fusion (VBF) offers certainly one of the most distinctive and interesting signals. In this thesis I report an analysis of the feasibility of the search for Higgs decays in the $H\rightarrow ZZ\rightarrow l^+l^-jj$ decay channel with the CMS detector. Allowing for a $Z$ boson to decay to a jet pair entails a large increase of backgrounds in exchange for a tenfold increase in the total branching ratio. The analysis of the di-lepton plus di-jet final state may furthermore provide ground for interesting additional searches and measurements. An optimization of the search for the Higgs decay signal has been performed using the key observables of this Higgs VBF production mechanism, applying the multivariate technique called {\em boosted decision trees'} for data selection in two successive stages. The application of $b$-jet tagging is also used to try and favorably select $b$-enriched final states, strongly suppressing the main background due to $Z$ production associated to light quarks at the cost of a 4.5 reduction factor of selectable signal events. Results on the signal significance achievable with $30\ fb^{-1}$ of collisions with the optimized Higgs candidate selection are presented. The LHC provided proton-proton collisions at the centre-of-mass energy of $7\ TeV$ from March $30^{th}$ to November $8^{th}$ 2010. During the 2010 run CMS collected an integrated luminosity of $43.2\ pb^{-1}$. Despite being utterly insufficient for a meaningful Higgs boson search, these data have been used to test the analysis strategy and the signal selection methodology. Limits to the ratio between signal cross section and SM-predicted cross section as a function of the Higgs boson mass have been obtained with the available data.

Uno degli obiettivi principali del Large Hadron Collider (LHC) in funzione al laboratorio CERN di Ginevra \'e di svelare il meccanismo della rottura della simmetria elettrodebole, e in particolare di determinare se il bosone di Higgs del Modello Standard esista o meno. A questo scopo, e in generale per esplorare la frontiera di alta energia della fisica delle particelle, l'LHC produce collisioni protone-protone al centro di due esperimenti multi-funzione: ATLAS e CMS. All'esperimento CMS (Compact Muon Solenoid) uno dei modi pi\'u promettenti per scoprire il bosone di Higgs consisten nello studiare il decadimento in due bosoni Z, con un successivo decadimento della coppia di Z in uno stato finale puramente leptonico. Fra i vari meccanismi di produzione del bosone di Higgs, la fusione di bosoni vettori (VBF, da Vector-Boson Fusion) offre certamente uno dei segnali pi\'u interessanti e distintivi~\cite{Cahn:1983ip,Kane:1984bb,Kleiss:1986xp}. In questo lavoro viene descritta l'analisi della fattibilit\'a della ricerca di decadimenti del bosone diHiggs nel canale di decadimento $H\rightarrow ZZ\rightarrow l^+l^-jj$ con il rivelatore CMS. Permettendo a un bosone Z di decadere in una coppia di jets si subisce un grande aumento dei processi di fondo in cambio di un aumento di un fattore 10 nella frazione di decadimento totale. L'analisi dello stato finale con dileptoni e coppie di jets pu\'o inoltre creare le condizioni di interessanti ricerche e misure addizionali. Una ottimizzazione della ricerca del segnale di decadimento del bosone di Higgs \'e stata ottenuta usando le quantit\'a osservabili pi\'u significative del meccanismo di produzione di Higgs via VBF, applicando una tecnica multivariata chiamata {\em boosted decision trees} per la selezione dei dati in due fasi distinte. L'applicazione dell'identificazione di jets da $b$-quarks \'e anche usata per cercare di selezionare favorevolmente stati finali ricchi di $b$-quarks, riducendo fortemente il fondo principale dovuto alla produzione di bosoni $Z$ associati a jets da quarks leggeri o gluoni, al costo di una riduzione di un fattore 6 nel numero di eventi di segnale selezionabili. La tesi presenta i risultati per la significanza del segnale ottenibili con $30\ fb^{-1}$ di collisioni protone-protone a 7 TeV, usando la selezione ottimizzata dei candidati decadimenti del bosone di Higgs. Durante il 2010 LHC ha fornito collisioni protone-protone all'energia del centro di massa di 7 TeV dal 30 marzo al 8 novembre. In questo run CMS ha raccolto una luminosit\'a integrata pari a $43.2\ pb^{-1}$. Nonostante questi dati siano assolutamente insufficienti per una ricerca del bosone di Higgs, questi dati sono stati utilizzati per un test della strategia di analisi e della metodologia di selezione del segnale. Limiti al rapporto fra la sezione d'urto del segnale e la sezione d'urto prevista dal Modello Standard in funzione della massa del bosone di Higgs sono stati ottenuti con i dati a disposizione.