Búsqueda de Supersimetría en eventos con un fotón, jets y energía faltante con el detector ATLAS

164 Pages·2016·13.93 MB·Spanish

UNIVERSIDAD
NACIONAL
DE LA PLATA
Universidad Nacional de La Plata
Facultad de Ciencias Exactas
Departamento de Física
Trabajo de Tesis Doctoral
Búsqueda de Supersimetría en eventos con
un fotón, jets y energía faltante con el
detector ATLAS
Francisco Alonso
Dirección:
Prof. Dra. María Teresa Dova
La Plata, Ano 2016

Búsqueda de Supersimetría en eventos con un fotón, jets y
energía faltante con el detector ATLAS
Francisco Alonso
Resumen
Supersimetría (SUSY) es una de las teorías con mayor motivación teórica para física más allá del
Modelo Estándar, proporcionando un marco para la unificación de la física de partículas y la gravedad,
gobernada por la escala de energía de Planck. Dado que ninguna de las partículas supersimétricas
predichas ha sido observada, SUSY debe ser una simetría rota en la naturaleza. La fenomenología
de SUSY está ampliamente determinada por el mecanismo de rompimiento de la supersimetría. Los
modelos GGM en los que el rompimiento está mediado por los campos de gauge usuales del Modelo
Estándar brindan un escenario propicio para la búsqueda de SUSY en el LHC, con espectros de masas
y decaimientos característicos. En esta tesis se presenta la primera búsqueda de nueva física en un
estado final con un fotón energético, jets y gran cantidad de energía faltante en colisiones protón-protón
a una energía de centro de masa de 8 TeV en el LHC. El análisis fue realizado utilizando todos los
datos recolectados por el detector ATLAS durante el año 2012, que corresponden a una luminosidad
total integrada de 20.3 fb-1. No se observó un exceso de eventos por sobre las predicciones del Modelo
Estándar, por lo cual se estableció un límite superior a 95 % CL al número de eventos provenientes de
nueva física para este estado final. Adicionalmente, los resultados fueron interpretados en el contexto
de un modelo de GGM SUSY considerando un neutralino NLSP mezcla bino-higgsino, excluyendo la
producción de gluinos con masas de hasta 1.25 TeV, resultando en los límites más estrictos al presente.
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Search for Supersymmetry in events with a photon, jets and
missing energy with the ATLAS detector
Francisco Alonso
Abstract
Supersymmetry (SUSY) is one of the most motivated theories for physics beyond the Standard
Model, giving a framework to the unification of the particle physics and gravity, which is governed
by the Plank energy scale. As none of the predicted supersymmetric particles has been discovered,
SUSY must be a broken symmetry in nature. SUSY phenomenology is hardly determined by the
SUSY breaking mechanism. GGM models in which the SUSY breaking is mediated by the usual gauge
fields of the Standard Model provide a suitable scenario for SUSY searches at the LHC, with very
characteristic mass spectrum and decays. This thesis presents the first search of new physics with
one energetic photon, jets and high missing energy in the final state in proton-proton collisions at a
centre-of mass energy of 8 TeV. The analysis was realized with all the data collected by the ATLAS
detector during 2012, corresponding to a total integrated luminosity of 20.3 fb-1. No excess over the
Standard Model predictions was observed, so an upper limit in the number of new physics events
was established at 95% CL for this final state. Additionally, the results were also interpreted in the
context of a GGM SUSY model considering a bino-higgsino neutralino NLSP admixture, excluding the
production of gluinos with masses up to 1.25 TeV, giving the most strict limits at the moment.
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I G
ndice eneral
Introducción 11
Parte I Motivación teórica 15
1 Modelo Estándar y Supersimetría 17
1.1 Conceptos básicos del Modelo Estándar............................................................................. 17
1.1.1 Las partículas elementales y sus interacciones........................................................ 17
1.1.2 QCD y colisiones pp en el LHC................................................................................. 20
1.1.3 Física más allá del SM ................................................................................................ 22
1.2 Supersimetría............................................................................................................................ 23
1.2.1 Modelo Estándar Supersimétrico Mínimo .............................................................. 25
1.2.2 Origen de la ruptura de SUSY. Modelos GMSB ..................................................... 31
1.2.3 Producción de partículas supersimétricas .............................................................. 35
Parte II Experimento 37
2 El LHC y el detector ATLAS 39
2.1 LHC ........................................................................................................................................... 39
2.2 El detector ATLAS................................................................................................................... 40
2.2.1 Sistema de coordenadas............................................................................................. 40
2.3 Los subdetectores de ATLAS................................................................................................ 42
2.3.1 El detector interno...................................................................................................... 42
2.3.2 Calorímetros................................................................................................................ 44
2.3.3 Espectrómetro de muones.......................................................................................... 45
2.4 El sistema de trigger................................................................................................................ 45
2.5 Modelo computacional y distribución de datos .................................................................... 47
2.6 Datos de colisiones pp a yfs = 8 TeV.................................................................................... 47
3 Reconstrucción e identificación de objetos físicos 51
3.1 Reconstrucción de trazas y vértices ....................................................................................... 51
3.2 Fotones y electrones ................................................................................................................ 52
3.2.1 Reconstrucción............................................................................................................ 52
3.2.2 Identificación de fotones............................................................................................. 53
3.2.3 Identificación de electrones ....................................................................................... 58
3.3 Muones ..................................................................................................................................... 58
3.4 Jets ........................................................................................................................................... 59
3.4.1 b-jets................................................................................................................................ 60
3.5 Energía faltante......................................................................................................................... 60
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Parte III Análisis de Datos 63
4 Métodos estadísticos para la búsqueda de nueva física 65
4.1 Funciones de distribución de probabilidad .......................................................................... 65
4.2 Estimadores ............................................................................................................................... 66
4.3 Método del likelihood máximo................................................................................................ 67
4.4 Contrastación de hipótesis ...................................................................................................... 67
4.5 Descubrimiento ......................................................................................................................... 69
4.6 Límites de Exclusión ................................................................................................................ 70
4.7 Aproximación asintótica ......................................................................................................... 71
4.8 Significancia esperada ............................................................................................................ 72
5 Estrategia general del análisis 75
5.1 Estrategia, señal y fondos del SM .......................................................................................... 75
5.2 Regiones de señal, control y validación ................................................................................. 76
5.3 Extrapolación y factores de transferencia ............................................................................. 77
5.4 Construcción del modelo estadístico .................................................................................... 78
5.5 Ajuste del modelo y resultados ............................................................................................. 78
6 Modelo de señal y generación de eventos Monte Carlo 81
6.1 Generación de eventos Monte Carlo ....................................................................................... 81
6.1.1 Espectro de masas y decaimientos ............................................................................ 82
6.1.2 Generador de eventos ................................................................................................ 82
6.1.3 Simulación del detector ATLAS................................................................................. 84
6.2 Simulación de la señal de SUSY ............................................................................................. 84
6.2.1 Estudios a nivel generador.......................................................................................... 87
6.2.2 Sección eficaz de producción....................................................................................... 87
6.3 Simulación de los fondos del SM .......................................................................................... 92
6.3.1 W/Z + y ...................................................................................................................... 92
6.3.2 W/Z + jets................................................................................................................... 92
6.3.3 Pares de tops (+ y) ................................................................................................... 94
6.3.4 Top (+ y) ...................................................................................................................... 94
6.3.5 y + jets y multijets...................................................................................................... 95
6.3.6 Diboson ......................................................................................................................... 95
7 Selección de eventos: definición de las regiones de señal 97
7.1 Criterios de calidad sobre los datos ....................................................................................... 97
7.2 Trigger ..................................................................................................................................... 97
7.3 Preselección ............................................................................................................................... 98
7.3.1 Vértice primario ......................................................................................................... 98
7.3.2 Objetos ......................................................................................................................... 98
7.3.3 Eliminación de objetos superpuestos ....................................................................... 99
7.4 Optimización de la selección de las regiones de señal ........................................................ 99
7.4.1 Fotón ............................................................................................................................ 100
7.4.2 Leptones ...................................................................................................................... 101
7.4.3 Energía faltante ......................................................................................................... 101
7.4.4 Multiplicidad y pT de los jets.................................................................................... 102
7.4.5 Separación angular entre jets y E™ss....................................................................... 103
8
7.4.6 Separación angular entre jets y fotón....................................................................... 103
7.4.7 Energía total transversa (HT) .................................................................................... 104
7.4.8 Variables de forma adicionales ................................................................................. 106
7.5 Selección final de las regiones de señal................................................................................. 106
7.6 Aceptancia y eficiencia............................................................................................................ 107
8 Estimación de los fondos 111
8.1 Producción de Wy y ííy ......................................................................................................... 111
8.1.1 Regiones de validación................................................................................................ 112
8.2 Producción de fotones directos (y + jets)............................................................................. 114
8.2.1 Regiones de validación................................................................................................ 114
8.3 Electrones identificados como fotones.................................................................................... 115
8.4 Jets identificados como fotones............................................................................................. 119
8.4.1 Descripción del método ............................................................................................. 119
8.4.2 Modelo de señal ......................................................................................................... 120
8.4.3 Modelo de fondo......................................................................................................... 121
8.4.4 Ajuste combinado y estimación del fondo .............................................................. 124
9 Resultados e interpretación 127
9.1 Análisis estadístico................................................................................................................... 127
9.2 Incertezas sistemáticas............................................................................................................ 128
9.2.1 Incertezas experimentales.......................................................................................... 128
9.2.2 Incertezas teóricas...................................................................................................... 130
9.3 Ajuste simultáneo en las regiones de control....................................................................... 132
9.3.1 Resultados en las regiones de control....................................................................... 133
9.3.2 Resultados en las regiones de validación................................................................. 134
9.3.3 Resultados en las regiones de señal.......................................................................... 135
9.3.4 Eventos en las regiones de señal................................................................................. 138
9.4 Límites a procesos de nueva física.......................................................................................... 145
9.5 Límites de exclusión en el modelo de SUSY considerado.................................................. 146
9.6 Búsqueda de señal de SUSY con datos a yfs = 13TeV........................................................ 147
10 Conclusiones 151
Agradecimientos 153
Bibliografía 155
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