In Pursuit of Lepton Flavour Violation. A search for the τ -> μγγ decay with ATLAS at s = 8 TeV. I. Angelozzi

Transcriptie

1 In Pursuit of Lepton Flavour Violation. A search for the τ -> μγγ decay with ATLAS at s = 8 TeV. I. Angelozzi

2 Samenvatting Wat zijn de fundamentele bouwstenen van het universum? Welke krachten bepalen hun gedrag? Hoge energie fysica is de tak van de wetenschap die probeert antwoord te vinden op deze en andere intrigerende vragen. De theorie die bekend staat als het Standaardmodel beschrijft met succes de elementaire deeltjes en hun interacties. De deeltjes in het Standaardmodel, te zien in Figuur S.1, bestaan uit twaalf fermionen, onderverdeeld in zes quarks en zes leptonen, vier soorten ijkbosonen (foton, gluon, W ± en Z bosonen) en het scalaire higgsboson. Het laatstgenoemde werd in 2012 ontdekt en voltooide dit plaatje. De drie interacties die door het Standaard Model worden beschreven zijn de elektromagnetische, zwakke en sterke kernkrachten e μ τ electron muon tau 1995 u c t up quark charm quark d s b top quark down quark strange quark bottom quark γ photon ν e ν μ ν τ W 2012 electron neutrino muon neutrino tau neutrino W boson Z Z boson g gluon H Higgs boson Fig. S.1 Schematische weergave van het Standaardmodel met de drie generaties van fermionen, de ijkbosonen en het higgsboson. Ondanks de experimentele bevestiging van zijn voorspellingen, verklaart het Standaardmodel niet alles. Bijvoorbeeld zwaartekracht, de vierde fundamentele kracht, wordt niet beschreven in deze theorie. Overigens bestaat maar ongeveer 5% van het universum uit de deeltjes in het Standaardmodel, wat is de herkomst van de andere 95%? In tegenstelling tot de originele formulering van het Standaardmodel impliceert de observatie van neutrino oscillaties dat neutrino s massieve deeltjes zijn en van smaak (elektron-, muon-, tau-neutrino) kunnen veranderen. Een natuurlijk vervolg is

3 124 samenvatting om te vragen of deze smaakschending ook geobserveerd kan worden bij de geladen leptonen (elektron, muon en tauon). In een uitbreiding van het Standaardmodel met massieve neutrino s zijn de processen die de leptonsmaak schenden (LSS) in deze sector toegestaan, alleen komen ze uiterst zelden voor. Aan de andere kant, verscheidene scenario s van fysica voorbij het Standaardmodel voorspellen een frequentie van dergelijke processen die binnen het bereik van de experimenten valt. Door de jaren heen zijn veel zoektochten uitgevoerd in verscheidene vervalskanalen, maar tot nog toe is er voor geladen LSS geen bewijs gevonden. In de hoge energie fysica worden deeltjesversnellers gebruikt om experimentele metingen te doen. De Large Hadron Collider (LHC) is momenteel de krachtigste versneller, ontworpen om protonen te laten botsen met een zwaartepuntsenergie van p s = 14 TeV. Hij bevindt zich op CERN, in Frankrijk en Zwitserland, in een tunnel met een omtrek van bijna 27 km. Vier detectoren zijn geïnstalleerd in de ring van de LHC om de botsingen, geleverd door de LHC, te bestuderen. De ATLAS detector meet Standaardmodel observabelen en zoekt naar fysica voorbij het Standaardmodel. ATLAS bestaat uit verscheidene sub-detectoren, elk met specifieke eigenschappen, die worden gebruikt om de verschillende deeltjes die door de botsingen worden geproduceerd te identificeren en hun energie en impuls te meten. Bovendien maakt de ATLAS detector gebruik van een triggersysteem om de hoeveelheid data die de LHC levert te reduceren en alleen de meest interessante gebeurtenissen te selecteren voor verder onderzoek. In dit proefschrift is de zoektocht naar het LSS! µ verval gepresenteerd. Het is gebaseerd op de data die de ATLAS detector heeft verzameld bij p s = 8 TeV in 2012, tijdens de eerste operationele periode (Run-1) van de LHC. De hoeveelheid data komt overeen met een geïntegreerde luminositeit van 19.1 fb 1. De tau-leptonen die gebruikt worden in deze analyse zijn geproduceerd via het W! verval. Tau-leptonen leveren goede mogelijkheden om naar LSS te zoeken. Verscheidene vervalskanalen, zoals! µ en! 3µ, zijn al onderzocht door verschillende experimenten die op zoek zijn naar signalen van fysica voorbij het Standaardmodel. Het! µ kanaal is een nieuwe manier om te zoeken naar LSS. Theoretische modellen, zoals supersymmetrie en higgs-mediated LSS, geven aan dat het mogelijk is om dit verval te onderzoeken, ze voorspellen een aanzienlijke vervalsfractie. Er zijn geen eerdere experimentele zoektochten naar het! µ kanaal gedaan. In elke analyse is het belangrijk dat het te onderzoeken signaal wordt vergroot, door de bijdrage van achtergrond processen te reduceren. In de LSS! µ meting wordt de achtergrond rechtstreeks uit de data geschat. Selectie criteria worden toegepast om het W! verval en de! µ kandidaat in elke gebeurtenis te vinden. Verscheidene eisen worden gesteld aan een aantal grootheden, zoals de kinetische eigenschappen van fotonen en muonen en de transversale massa van het W boson. Een volgende stap in de selectie procedure van de gebeurtenissen is gebaseerd op de triggers. In het bijzonder worden toegewijde muon+foton triggers

4 hlfvtau_m_afterphbdt_norm_gev Entries 1611 Mean RMS samenvatting 125 gebruikt om de specifieke combinaties van de objecten in de eindtoestand van het! µ verval te selecteren. Sleutelstappen in de analyse, voor een betere scheiding tussen signaal en achtergronden, berusten op een multivariate aanpak. De identificatie van het foton paar in het! µ verval is gerealiseerd door middel van de multivariate methode genaamd Boosted Decision Tree (BDT), gebaseerd op de detector karakteristieken van deze objecten. In een later stadium is dezelfde strategie gebruikt bij het richten op de eigenschappen van het W! verval, met het doel om de overgebleven achtergronden, die voornamelijk bestaan uit vervallen van zware quarks en W! µ vervallen, te reduceren. De analyse is ontworpen om gevoelig te zijn in het gebied waar verwacht wordt dat het signaal de achtergrond overschrijdt. Het signaalgebied is bepaald op basis van de distributie van de LSS tau kandidaat massa, die wordt gegeven door de invariante massa van de drie vervalsproducten (een muon en twee fotonen). Figuur S.2 laat de massadistributie van de tau kandidaat zien voor het Monte Carlo-gesimuleerde! µ signaal en de gemeten data. Het signaal gebied is gedefinieerd als een regio om de tau massa heen, tussen 1.6 en 2.0 GeV. Arbitrary units L dt = 19.1 fb s = 8 TeV Signal Data Tau candidate mass [GeV] Fig. S.2 Massa distributie van de LSS tau kandidaat voor het signaal (rood) en gemeten data (zwarte stippen). Het verwachtte aantal achtergrond gebeurtenissen in het signaalgebied is vergeleken met het totaal aantal gebeurtenissen in de gemeten data in hetzelfde gebied. Aan het einde van de selectieprocedure zijn 293 data gebeurtenissen geobserveerd in het signaalgebied. Deze waarde is compatibel met de verkregen schatting van de achtergrond (278 verwachtte gebeurtenissen). Er is dus geen statistisch significante overschrijding van de Standaardmodel achtergrond verwachting geobserveerd.

5 126 samenvatting In afwezigheid van een LSS signaal worden de resultaten van dit onderzoek gepresenteerd in de vorm van een bovenlimiet op de! µ vervalsfractie. De verwachtte en geobserveerde limieten zijn bepaald op een confidence level niveau van 90%. De verwachte (mediaan) bovenlimiet is Br(! µ )=( ) 10 4, (S.1) waar de variaties, uitgedrukt in termen van ±1 standaardafwijking, ook worden weergegeven. De geobserveerde limiet is Br(! µ )= (S.2) Er komen spannende jaren aan. De LHC is nu bezig met de tweede operationele periode (Run-2), die wordt gekarakteriseerd door een verhoogde zwaartepuntsenergie van p s = 13 TeV. De grotere datasets maken het mogelijk om de resultaten gepresenteerd in dit proefschrift te verbeteren. Kijkend naar het grotere plaatje zal de zoektocht naar lepton smaak schending bij geladen lepton worden voortgezet. Wordt het tijd voor nog een baanbrekende ontdekking in de hoge energie fysica?