Stop into Stau: Search for Scalar Top Quarks Decaying into Scalar Tau Leptons with ATLAS at 8 = 8 TeV. Dhr. P. Butti

Transcriptie

1 Sop ino Sau: Search for Scalar Top Quarks Decaying ino Scalar Tau Lepons wih a 8 = 8 TeV. Dhr. P. Bui

2 Samenvaing He Sandaard Model (SM) beschrijf de eigenschappen van alle bekende elemenaire deeljes en hun elekromagneische, zwakke en serke quanum ineracies. Maerie besaa ui half-ineger spin deeljes, fermionen. Deze zijn verdeeld in zes quarks (u, d, c, s,, b), die gebonden zijn in hadrons, en zes leponen ( e,e, µ,µ,, ). De ineracies vinden plaas door middel van spin- bosonen: de massieve Z en W ± bosonen zijn veranwoordelijk voor de zwakke kernkrach, erwijl he foon en de gluonen g veranwoordelijk zijn voor respecievelijk de elekromagneische krach en serke kernkrach. De deeljes verkrijgen hun massa door sponane elekrozwakke symmerie breking beschreven in he Higgs mechanisme. Di mechanisme is bevesigd door de observaie van he Higgs boson in 202. He Sandaard model is in de laase decennia zeer succesvol gebleken in he beschrijven van he gedrag van sub aomische deeljes. He SM is echer ver van complee omda he geen graviaie beva en geen uileg voor de oorsprong van Donkere Maerie en Donkere Energie, wa bij elkaar ongeveer 95% van he universum behels. Nauurkundigen hebben gewerk aan mogelijke uibreidingen van he SM om deze ekorkomingen op e lossen. Een veel belovende heorie is Supersymmerie (SUSY), di breid he SM ui me symmerische ransformaies die fermionen en bosonen me elkaar omwisselen en voorspel een super parner voor elk SM deelje. Omda er nog nooi experimeneel een supersymmerisch deelje is geobserveerd, moe SUSY, als he besaa, een gebroken symmerie zijn. De massa s van de superparners worden dan verwach veel hoger e liggen dan die van de SM deeljes. He mechanisme acher supersymmerie breking is nie bekend. In sommige modellen worden alle symmerie brekings ermen oegevoegd aan de Lagrangiaan, in egenselling o deze aanpak zijn er ook SUSY modellen die een verbogen secor aannemen, waar symmerie brekings ermen gegenereerd worden. Deze brekings ermen komen vervolgens weer naar boven in de zichbare secor, die opgemaak word door SM deeljes en hun superparners. Di is he geval in he Ijk bemiddelde Supersymmerie breking (GMSB) model, een se van supersymmerische velden die direc koppel aan de verborgen secor en vervolgens de symmerie brekings ermen doorspeel naar de zichbare secor doormiddel van quanum lussen in ijk ineracies. Als Supersymmerische deeljes besaan, kunnen ze geproduceerd worden in energeische proon-proon bosingen. De producie doorsnede is he groos voor supersymmerische deeljes die koppelen doormiddel van de serke kernkrach, zoals gluinos en squarks. De werkzame doorsnede van he scalaire op quark is dan wee orde grooes kleiner dan die van de andere wee generaie squarks. Een kleine hoeveelheid afsemming is nodig voor Supersymmerie om een oplossing e zijn voor he hiërarchie probleem. InveelSUSY modellen word door een groe Yukawa koppeling samen me groe nie-diagonale ermen in de massa mixing marix, de massa van de op squarks beperk o onder de TeV schaal, 65

3 SAMENVATTING waardoor de deeljes geproduceerd kunnen worden in de Large Hadron Collider (LHC). De LHC besaa ui wee supergeleidende ringen voor proon-proon bosingen of bosingen me zware ionen en bevind zich bij CERN in Geneve. De LHC is onworpen voor een proon-proon massamiddelpuns energie van p s =4TeV, de geleverde energie was p s =7TeV ijdens 200 en 20, p s =8TeV ijdens 202 en p s =3TeV in 205 en 206. De proonen bosen op vier punen in de LHC, hieromheen zijn deecoren gebouwd om de bosingen e besuderen. De "A Toroidal LHC ApparauS" () deecor is een van de onworpen experimenen om Elekrozwakke Symmerie Breking en he Higgs mechanisme e besuderen, voor precisie meingen aan SM parameers en om e zoeken naar nauurkunde voorbij he SM. Deze hesis beva een SUSY analyse van een specifiek scenario van he GMSB mechanisme. He model beva een massaloze graviino G als lichse supersymmerische deeljes, een sau lepon als een-na-lichse supersymmerische deeljes en de op squark als lichse van de quark superparners. De analyse is uigevoerd me behulp van de daa van me een massamiddelpuns energie van p s =8TeV ijdens de 202 daa neming, me een oaal van 20.3 fb geïnegreerde luminosiei van p p bosingen. In he onderzoche model is he enige open kanaal he drie lichaams verval van he op squark! b,gevolgddoorheverval! G. De andere supersymmerische deeljes hebben een dergelijk hoge massa da ze nie voorkomen in he op squark verval. De uieindelijke oesand in deze zoekoch b word gekarakeriseerd door de aanwezigheid p van wee au leponen, wee jes die een b- hadron bevaen en deeljes die aan de deecor onsnappen zoals neurinos en gravii- G nos. De analyse is opgesplis in drie orhogonale sub kanalen die he geval bekijken G wanneer beide aus leponisch vervallen (leplep), wanneer een au hadronisch verval en p de andere leponisch (lep-had) of wanneer b beide aus hadronische vervallen (had-had). Zulke uieindelijke oesanden worden ook Figure S.: Diagram me op squark paar producie in een p p bosing gevolgd veroorzaak door he Sandaard Model, wa de achergrond veroorzaak in deze zoekoch. door he verval! b and Mone Carlo simulaies zijn gebruik om een! G. model e vormen van de kinemaica van he! signaal. Di model hang af van de onbekende op squark massa m en de au slepon massa m en SM processen. Voor elk kanaal besaa er een saisisch onafhankelijke Signaal regio door specifieke kinemaische snedes oe e passen op de bosings producen die aanwezig zijn in uieindelijke oesand om zo een goed onderscheid e kunnen maken ussen signaal en achergrond. De ransversale massa m T2 maak als bese onderscheid, zoals e zien in Fig. S.2. De aanwezigheid van nauurkunde voorbij he Sandaard Model zou zichbaar zijn doormiddel van een overscho aan geobserveerde evens en opziche van alleen he SM. Om he aanal verwache SM evens e kunnen schaen word er een normalisaie fi oegepas op de dominane 66

4 [GeV] m τ τ τ τ G producion, BR( bν) =, BR( ) = - s = 8 TeV, 20 fb SUSY Observed limi (± σ ) heory Expeced limi (± σ exp ) LEP limi All limis a 95% CL Combinaion m < m b + m τ [GeV] Figure S.3: Uisluiings limieen voor de op squark producie in he direce verval! b! G bij p s =8TeV. De limieen op de! producie werkzame doorsnede worden vermeld in pb voor elke signaal hypohese. achergronden in conrole regio s, die zo gekozen zijn om een specifieke SM achergrond e isoleren me weinig signaal. Voor elk kanaal word egelijkijdig een fi van de achergrond normalisaie gedaan, hierin worden ook sysemaische fouen meegenomen. De resulerende achergrond schaingen worden gevalideerd in validaie regio s, speciaal onworpen voor de specifieke SM achergrond en kinemaisch vergelijkbaar, maar orhogonaal aan de signaal regio s. Evens / 25 GeV Daa / MC s = 8 TeV, 20. fb SRHH Daa 202 SM Background op fake aus op rue aus W l ν Oher m(,τ )=(337,48) GeV m(,τ )=(503,87) GeV m T2 (τ had,τ had ) [GeV] Figure S.2: Disribuie van m T2 in de had-had signaal regio voor de geobserveerde daa, de SM verwaching en een! model bij p s =8 TeV. m He aanal geobserveerde daa evens in de signaal regio s is compaibel me de alleen SM hypohese, vandaar da de resulaen van de zoekoch worden geïnerpreeerd door middel van uisluiings limieen me 95% zekerheid in he (m,m ) vlak en voor elke signaal hypohese, he bovense limie op de producie werkzame doorsnede word vermeld in picobarns. De drie kanalen vullen elkaar goed aan in he beschrijven van de parameers van he gesimplificeerde model en een op squark massa lager dan 650 GeV word uigesloen afhankelijk van de scalaire au lepon massa. Op he einde van Run- heef er een lange echnische sop plaas gevonden, bekend als de Long Shudown (LS), om de LHC klaar e maken voor proon-proon bosingen me een massamiddelpuns energie van p s =3TeV. He experimen is oen op bepaalde punen verbeerd, onder andere door aangepase en gerenoveerde deecor elemenen voor Numbers give 95% CL excluded cross secion x BR [pb] en 67

5 SAMENVATTING His on racks / 2 µm Preliminary Daa 205 (LHC fill 4560) LB correced alignmen µ=0 µm, FWHM/2.35=3 µm fill-averaged alignmen µ=0 µm, FWHM/2.35=2 µm defaul alignmen µ=-4 µm, FWHM/2.35=27 µm Local x residual [mm] Figure S.4: The IBL local-x (r )rack-o-hiunbiasedresidualdisribuionsobainedwihabaseline alignmen correcions (blue), wih run-by-run correcions (red) and wih wihin-run dynamic correcions (black). verbeerde accepaie, efficiënie en presaie om de hoge daa kwaliei van Run-2 aan e kunnen. Een van de groe verbeeringen aan de Inner Deecor (ID) is de invoeging van de Inserable B-Layer (IBL), onworpen om deeljes sporen nog beer e kunnen meen. De invoeging van deze deecor is een groe verandering in de geomerie van he experimen, die precies bekend moe zijn om de sporen goed e kunnen reconsrueren volgens de onwerp resoluie. De gebruike echniek in de ID is om de posiie van de gevoelige elemenen e meen is de rack-based Inner Deecor Alignmen. Dezemehodebesaaui he bereken van de correcies op de verwache ID geomerie door de 2 funcie e minimaliseren. De 2 funcie hang af van de spoor parameers en de posiies van de ID gevoelige elemenen. Deze hesis laa de uilijning van de ID zien ijdens de LS, me gebruik van kosmische sralings daa, en he begin van Run-2 daa verzameling, me de uieindelijk uigevoerde uilijning op he einde van de 205 campagne. Tijdens de inbedrijfsselling periode me kosmische sralings daa, is he opgevallen da de IBL deecor srucuur afhang van een parabolische vorm waarbij de grooe M lineair afhang van de operaionele emperauur T me een helling dm/dt = 0.6 ± 0.7 µm/k. Omda een klein verschil in emperauur een groe verplaasing van acieve elemenen kan veroorzaken kom di de kwaliei van de geconsrueerde sporen nie en goede. Hierdoor is aan he raamwerk van de ID uilijning een addiionele vrijheidsgraad oegevoegd die deze deformaie behels. Ook is de mogelijkheid oegevoegd om de correcies op een korer ijdsbesek e kunnen doen waardoor de rack-o-hi residuele disribuie significan smaller e word, wa een hersel aangeef van de IBL onwerp resoluie. Deze nieuwe aanpak verander de berekening van de ID geomerie waardoor deze nie meer vassaa in een daa collecie van p p bosingen in Run-2, maar dynamisch berekend word om correcies op kleine ijdsschaal ui e kunnen voeren. 68