English Title: Search for Dark Matter produced in association with a Higgs boson decaying to b¯b using 36 fb−1 of pp collisions at √s = 13 TeV with the ATLAS Detector

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Abstract

\nohyphens{Cosmological and astrophysical observations indicate the existence of Dark Matter. Many beyond Standard Model theories predict associated production of Dark Matter particles with a Higgs boson at energies that can be probed at collider experiments. The signature of the presented analysis consists of a $b\bar{b}$ pair from a Higgs boson decay recoiling against missing transverse momentum from Dark Matter particles, \hbbmet. The presented \hbbmet search is performed using proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $13$~TeV with an integrated luminosity of $36.1~\text{fb}^{-1}$ recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. Several new refined event selections were developed, which increase considerably the experimental sensitivity of the search to beyond Standard Model theories resulting in a \hbbmet signature. Discovery significance along with its gains from the new refined event selections are presented. The observed data are found to be in agreement with the Standard Model predictions. Upper limits on the production cross-section of $h+\met$ events times the \htobb branching ratio in a two-Higgs-doublet model with an extra $Z^{\prime}$ boson scenario are presented at $95\%$ confidence level. The improvement of the limits from the new refined event selections is quantified. A new topological algorithm is suggested for future analyses and its associated increase in experimental sensitivity is also presented.}

Translation of abstract (German)

\nohyphens{Kosmologische und astrophysikalische Beobachtungen weisen auf die Existenz Dunkler Materie hin. Viele Theorien jenseits des Standard Modells sagen eine assoziierte Produktion von Dunkle Materie Teilchen mit einem Higgs-Boson bei Energien voraus, die bei Beschleuniger-Experimenten untersucht werden können. Die Signatur der präsentierten Analyse besteht aus einem $b\bar{b}-$Paar als Zerfallprodukt eines Higgs-Bosons zusammen mit fehlendem transversalen Impuls verursacht durch Dunklen Materie: \hbbmet. Die vorgestellte $h(\rightarrow b\bar{b})+\met-$Suche wird auf einem Datensatz von Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von $13$~TeV mit einer integrierten Luminosität von $36.1~\text{fb}^{-1}$ durchgeführt. Der Datensatz wurde mit dem ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider aufgezeichnet. Für die Analyse wurden mehrere neue Techniken zur Verbesserung der Ereignisselektion entwickelt, welche die experimentelle Sensitivität der Analyse wesentlich erhöhen. Diese neue verfeinerte Ereignisselektion und daraus resultierende Verbesserungen für das Signifikanzniveau werden vorgestellt. Die beobachteten Ergebnisse stimmen mit den Vorhersagen des Standardmodells überein. Für das Zwei-Higgs-Dublett-Modell mit einem zusätzlichen $Z^{\prime}-$Boson werden obere Ausschlussgrenzen für den Wirkungsquerschnitt von $h(\rightarrow b\bar{b})+\met-$Ereignissen multipliziert mit dem $h\rightarrow b\bar{b}-$Verzweigungsverhältnis bei einem Konfidenzniveau von 95\% CL präsentiert. Die Verbesserung der Ausschlussgrenzen durch die neue verfeinerte Ereignisauswahl wird quantifiziert. Für zukünftige Analysen wird ein neuer topologischer Algorithmus vorgeschlagen und der damit verbundene Anstieg der experimentellen Sensitivität wird präsentiert.}