Search for new invisible particles in events with a Z boson at CMS

Albert, Andreas; Hebbeker, Thomas; Wiebusch, Christopher

doi:10.18154/RWTH-2019-05664

Search for new invisible particles in events with a Z boson at CMS

Albert, Andreas^RWTH*

2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Andreas Albert, M.Sc.

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (viii, 183 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Hebbeker, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Wiebusch, Christopher (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-05-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-05664
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/762542/files/762542.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
BSM (frei) ; CERN (frei) ; CMS (frei) ; DM (frei) ; Dunkle Materie (frei) ; Graviton (frei) ; HL-LHC (frei) ; LHC particle physics (frei) ; MET (frei) ; Neue Physik (frei) ; Teilchenphysik (frei) ; Unparticle (frei) ; dark matter (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Suche nach neuen Teilchen mit dem CompactMuon Solenoid (CMS) Experiment am CERN Large Hadron Collider (LHC). Proton-ProtonKollisionsereignisse mit rekonstruierten Z-Bosonen werden auf Hinweise für die Produktionvon neuen, nicht rekonstruierbaren (“unsichtbaren”) Teilchen untersucht. Die Suchstrategiebasiert auf der Auswertung der Verteilung des Fehlenden Transversalimpulses pTmiss, in der die Produktion solcher Teilchen einen charakteristischen Exzess gegenüber der erwarteten Verteilung in bekannten Prozessen hervorrufen würde. Die Analyse basiert auf Datensätzen, die von der CMS-Kollaboration in der ersten Hälfteder Run-II Laufzeit des LHC in den Jahren 2015 und 2016 aufgezeichnet wurden. Der2015er Datensatz mit einer integrierten Luminosität von 2.3 fb −1 erlaubt erste Einblicke in die Physik bei der nie zuvor im Labor erreichten Schwerpunktsenergie von 13 TeV. Die hohe Kollisionsenergie ermöglicht eine kompetitive Sensitivität zu früheren Datensätzen, die größer sind, aber bei niedrigerer Energie aufgenommen wurden. Der zweite, im Jahr2016 aufgenommene Datensatz, zeichnet sich durch eine größere integrierte Luminosität von35.9 fb −1 aus, und fügt der hohen Schwerpunktsenergie somit statistische Präzision hinzu. In keinem dieser beiden richtungsweisenden Datensätze kann ein Signal nachgewiesen werden. Ein Schwerpunkt der Dissertation ist die Interpretation der experimentellen Ergebnisse in Modellen neuer Physik. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Ergebnisse einer Z+pTmiss Suche erstmals im Kontext von simplified models, also einfachen, aber vollständigen Modellen, der Produktion von Dunkle-Materie-Teilchen (DM) interpretiert. Diese erlauben robustere Schlussfolgerungen als die vormals verwendeten effektiven Feldtheorien. Erstmals wird auch ein Modell mit einem zweiten Higgs-Dublett und einem pseudoskalaren DM-Mediator betrachtet, das intrinsisch zur Z+pTmiss-Signatur führt. In diesem Modell kann ein neuer Teil des Parameterraums zum ersten Mal ausgeschlossen werden. Jenseits der Interpretationen im Zusammenhang mit DM werden die Analyse-Ergebnisse in Modellen für Unparticle- und Graviton-Produktion interpretiert. Im Kontext der Unparticles konnten Fehler in der vorhergehenden Literatur nachgewiesen werden, die zu überzogenen Sensitivitätseinschätzungen geführt hatten. Trotzdem sind die Ausschlussgrenzen, die in diesem Modellformuliert werden können, in Teilen des Parameterraums führend. Als Ausblick in die Zukunft wird die Sensitivität der vorliegenden Suche am high-luminosity LHC (HL-LHC) untersucht. Der HL-LHC soll über die nächsten zwei Jahrzehnte einen Proton-Proton-Datensatz mit integrierter Luminosität von 3 ab −1 bei √ s = 14 TeV produzieren. Der Einfluss dieser hohen integrierten Luminosität, sowie der erhöhten Schwerpunktsenergie und der zu erwarteten experimentellen pTmiss-Rekonstruktion wird ausgewertet. Mit dem vollen HL-LHC Datensatz wird sich die Massensensitivität dieser Suche um einen Faktor von ca. zwei im Vergleich zu heute verbessern. Besonders ist hervorzuheben, dass der Sensitivitätszuwachs so groß ist, dass einige Signale, die heute noch unbemerkt geblieben sein könnten, im vergrößerten Datensatz zu einer statistisch signifikanten Entdeckung führen könnten.

This thesis documents a search for new particles at the Compact Muon Solenoid experiment (CMS) at the CERN Large Hadron Collider (LHC). Proton-proton collisions with reconstructed Z bosons are analyzed for evidence of the production of new unreconstructed (“invisible”) particles. The search strategy is centered around the use of the missing trans-verse momentum pTmiss, which provides an indirect handle on the kinematic properties of particles that are not reconstructed directly in the detector. The production of invisible particles would be detected as an excess of events with large pTmiss over the known background processes. Analysis results are obtained based on the data sets collected by the CMS collaboration in the first half of the Run-II period of LHC operation in 2015 and 2016. The 2015 dataset, corresponding to an integrated luminosity of 2.3 fb −1, provides a first, coarse-grained glimpse of physics at the world record center-of-mass energy of 13 TeV. Although relatively small in size, the high collision energy allows to rival the sensitivity achieved in previous, larger data sets at lower energies. In 2016, a larger data sample of 35.9 fb −1 could be recorded, providing additional statistical precision and sharpening the view of the high-energy landscape. The search for invisible particles is performed in both of these milestone data sets. After accounting for contributions from known backgrounds, no significant signal is observed in either sample. A special focus is set on the interpretation of the experimental results in a number of models for the production of invisible particles. As part of this thesis, results from the Z+pTmiss topology are for the first time interpreted in terms of simplified models of darkmatter (DM) production, which are more robust than the previously used effective field theories. As a significant improvement over the interpretations provided in previous results ,a stronger focus is put on simplified models with an extended scalar sector, for which the Z+pTmiss signature provides competitive sensitivity. In a scenario with a second Higgs doublet and a pseudoscalar dark matter mediator, new portions of parameter space can be excluded for the first time. In addition to models of DM production, the analysis results are interpreted in terms of production of scalar unparticles, as well as gravitons in a scenario of large extra dimensions. In the case of unparticle production, significant errors have been discovered in the literature, leading to a revised view of the sensitivity of the Z+pTmiss topology, which is smaller than previously thought. Nevertheless, the unparticle interpretation derived here provides leading sensitivity in parts of the parameter space. Beyond the analysis of Run-II data, a study of the future analysis sensitivity at the high-luminosity LHC (HL-LHC) is performed. It is expected that the HL-LHC will provide a final proton-proton data set corresponding to 3-1 ab with √ s = 14 TeV over the next two decades. The effects of increased center-of-mass energy and integrated luminosity, as well as pTmiss reconstruction performance are studied in detail. It is found that an analysis of this expected data set will result in a mass reach which is increased by approximately a factor of two compared to the present-day sensitivity. Notably, the large data set would enhance the sensitivity so significantly that a number of signals that are not probed today could reach discovery sensitivity at the end of the HL-LHC program.

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