Search for Dark Photon in H->yyd decays: statistical framework and results from the ATLAS experiment

This thesis presents a search for massless dark photon (γd) in the decay channel H → γγd, where the dark photon escapes detection, resulting in a signature of a single isolated photon and missing transverse momentum (pmiss T ). In this model, the dark photon is predicted to be the gauge boson of an extra U(1) gauge group of a hypothetical dark sector. This search utilizes p-p collision data collected by the ATLAS detector during LHC Run 3 (2023-2024) at center-of-mass of √ s=13.6TeV and integrated luminosity L=134.6 fb−1, targeting gluon-fusion (ggF), vector-boson fusion (VBF) and ZH production. Notably, this is the first search in which the ggF production channel is targeted. This thesis focuses on the development of a statistical framework. The statistical interpretation is based on a simultaneous profiled likelihood fit implemented in the TRExFitter framework. The Signal Region (SR) is optimized to reduce the contribution of backgrounds arising from Wγ and Zγ processes and the misidentification of electrons and jets as photons. Multiple background-enriched Control Regions (CRs) are defined to constrain the background normalization. This approach accounts for all experimental, theoretical and data-driven systematic uncertainties. The analysis has been recently unblinded; as no significant excess over the Standard Model prediction was found, the observed upper limit on BR(H → γγd) is presented at 95% Confidence Level.

Il presente lavoro di tesi espone la ricerca di un fotone oscuro privo di massa (γd) nel canale di decadimento H → γγd, dove il fotone oscuro sfugge alla rilevazione, producendo un segnale caratterizzato da un singolo fotone isolato e momento trasverso mancante (pmiss T ). In questo modello, il fotone oscuro è predetto come il bosone di gauge di un nuovo gruppo di simmetria U(1) appartenente a un ipotetico settore oscuro. La ricerca utilizza i dati delle collisioni p-p raccolti dal rivelatore ATLAS durante il Run 3 di LHC (2023-2024) a un’energia nel centro di massa di √ s=13.6 TeV e con una luminosità integrata di L=134.6 fb−1, prendendo in esame i processi di produzione per fusione di gluoni (ggF), fusione di bosoni vettoriali (VBF) e produzione associata ZH. In particolare, questa è la prima ricerca in cui viene analizzato il canale di produzione ggF per questo specifico decadimento. La tesi si concentra sullo sviluppo di un framework statistico. L’interpretazione statistica si basa su un fit simultaneo di verosimiglianza profilata (profiled likelihood fit) implementato nel framework TRExFitter. La Regione di Segnale (SR) è stata ottimizzata per ridurre il contributo dei fondi derivanti dai processi Wγ e Zγ e dalla errata identificazione di elettroni e jet come fotoni. Sono state definite molteplici Regioni di Controllo (CR), arricchite di eventi di fondo, per vincolarne la normalizzazione. Questo approccio tiene conto di tutte le incertezze sistematiche sperimentali, teoriche e guidate dall’estrapolatione di fake-factor dai dati (data-driven). L’analisi è stata recentemente desecretata (unblinded); non essendo stato osservato nessun eccesso significativo rispetto alla predizione del Modello Standard, viene presentato il limite superiore di esclusione osservato su BR(H → γγd) al livello di confidenza del 95%.