Thesis:

Background estimation in the search for non-resonant Higgs boson pair production in the bbττ decay channel using 13 TeV pp collision with data from the ATLAS detector

The Standard Model (SM) of particle physics provides a highly successful quantum field theoretical description of fundamental particles and three of the four known fundamental interactions. The experimental confirmation of the Brout–Englert–Higgs mechanism with the 2012 discovery of the Higgs boson opened a new era in high‑energy physics, enabling detailed studies of electroweak symmetry breaking and the search for physics beyond the Standard Model (BSM). A key prediction of the SM is the Higgs boson self‑interaction, which can be probed through Higgs boson pair production. However, the small production cross section at √s = 13 TeV makes its direct observation extremely challenging. This thesis investigates non‑resonant Higgs boson pair production in the bbττ final state using ATLAS data, a channel offering a favorable balance between branching fraction and background controllability. By studying this process, the current experimental sensitivity to the Higgs trilinear self‑coupling is assessed, together with the prospects for future measurements at the High‑Luminosity LHC. In addition, the analysis framework is also sensitive to potential BSM contributions—such as modifications of the top‑quark Yukawa coupling, anomalous Higgs self‑couplings, or resonant enhancements predicted by models like the Randall–Sundrum graviton or the Two Higgs Doublet Model. The results of this study provide insight into the present capability of the ATLAS experiment to probe di‑Higgs production and outline the experimental improvements required to achieve meaningful constraints on the Higgs self‑interaction in forthcoming collider runs.

El Modelo Estándar (SM) de la física de partículas constituye la formulación cuántica más exitosa para describir las partículas fundamentales y tres de las cuatro interacciones conocidas. La confirmación experimental del mecanismo de Brout–Englert–Higgs (BEH) con el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012 abrió una nueva etapa en la física de altas energías, permitiendo estudiar en detalle la ruptura espontánea de la simetría electrodébil y buscar extensiones más allá del Modelo Estándar (BSM). Una predicción central del SM es la auto‑interacción del bosón de Higgs, la cual puede investigarse mediante la producción de pares de bosones de Higgs. Sin embargo, su observación directa resulta extremadamente desafiante debido a la muy baja sección eficaz de producción a √s = 13 TeV. Esta tesis estudia la producción no resonante de pares de bosones de Higgs en el canal final bbττ utilizando datos del experimento ATLAS, un canal que ofrece un equilibrio favorable entre fracción de decaimiento y control del ruido de fondo. El análisis permite evaluar la sensibilidad experimental actual al acoplamiento trilineal del Higgs y proyectar el potencial de medición en el futuro acelerador High‑Luminosity LHC. Asimismo, el estudio es sensible a posibles contribuciones BSM, como modificaciones en el acoplamiento Yukawa del quark top, acoplamientos anómalos del Higgs o estados resonantes adicionales predichos por modelos como el graviton Randall–Sundrum o el Modelo de Dos Doblettes de Higgs. Los resultados entregan una estimación del alcance actual del experimento ATLAS para sondear la producción de di‑Higgs y destacan los aspectos experimentales que deberán mejorarse para lograr restricciones significativas en la auto‑interacción del Higgs en futuras campañas de colisiones.