Search for supersymmetry in opposite sign same flavour dilepton events with the CMS detector

Schulte, Jan-Frederik; Krämer, Michael; Feld, Lutz

doi:34654

Search for supersymmetry in opposite sign same flavour dilepton events with the CMS detector = Suche nach Supersymmetrie in Ereignissen mit entgegengesetzt geladenen Leptonen gleichen Flavours mit dem CMS-Detektor

Schulte, Jan-Frederik

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jan-Frederik Schulte

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Feld, Lutz (Thesis advisor) ; Krämer, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-09-24

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-059495
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/540569/files/540569.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/540569/files/540569.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; LHC (frei) ; CMS (frei) ; SUSY (frei) ; supersymmetry (frei) ; Dilepton (frei) ; edge (frei) ; 8 TeV (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In dieser Arbeit wird eine Suche nach Supersymmetrie in Ereignissen mit zwei entgegengesetzt geladenen Leptonen gleichen Flavours, Jets und fehlender transversaler Energie präsentiert. Der betrachtete Datensatz von Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 8\,TeV, aufgezeichnet mit den CMS-Detektor, entspricht einer integrierten Luminosit\"at von 19.5\,$\mathrm{fb}^{-1}$. Diese Analyse fokussiert sich auf die korrelierte Produktion von Elektron- oder Myonpaaren mit entgegengesetzter Ladung in Kaskadenzerfällen schwerer, supersymmetrischer Teilchen. Im Zerfall eines schweren Neutralinos in zwei Leptonen und ein leichteres Neutralino ergibt sich aus der Massendifferenz zwischen den Neutralinos eine obere Grenze auf die invariante Masse des Dileptonsystems $m_{\ell\ell}$. Dies führt zu einer charakteristischen Kante in der $m_{\ell\ell}$-Verteilung. Weitere Teile der Signalsignatur umfassen mehrere hadronische jets und, da das leichteste supersymmetrische Teilchen, in diesem Fall das leichtere Neutralino, als stabil angenommen wird und den Detektor unbeobachtet verlässt, fehlende transversale Energie. Daher werden Ereignisse selektiert die wenigstens ein Paar entgegengesetzt geladener Leptonen gleichen Flavours enthalten und Anforderungen an die Anzahl von Jets und die fehlende transversale Energie erfüllen. Untergründe aus bekannten Standardmodellprozessen, die zu dieser Selektion beitragen, sind entweder flavour-symmetrisch oder enthalten die korrelierte Produktion von Leptonen, etwa im Zerfall eines $\mathrm{Z}$-Bosons. Der dominierende flavour-symmetrische Untergrund kann mit hoher Genauigkeit aus Ereignissen mit entgegengesetzt geladenen Leptonen unterschiedlichen Flavours abgeschätzt werden. Kleine Korrekturen zur Flavour-Symmetrie dieser Prozesse, die von experimentellen Effekten hervorgerufen werden, werden mit zwei unabhängigen Methoden aus den Daten abgeschätzt. Beide Methoden liefern übereinstimmende Ergebnisse. Die Untergründe mit korrelierter Leptonproduktion sind ein nicht-dominanter Beitrag und werden auch aus den Daten abgeschätzt. Abweichungen der beobachteten Daten von diesen Erwartungen werden auf zwei Arten untersucht. In einem Zählexperiment wird die Anzahl beobachteter mit der Anzahl erwarteter Ereignisse verglichen. In einer Suche nach der charakteristischen Kantensignatur wird ein Fit an die $m_{\ell\ell}$-Verteilung durchgeführt. Dabei werden unterschiedliche Modelle für die zwei Untergrundarten und eine dreieckige Signalform verwendet. Der Fit findet eine Kantenposition von $82.4^{+2.1}_{-3.3}$\,GeV mit einer Signalstärke von $140\pm44$ Ereignissen für Leptonen im Zentralbereich des CMS-Detektors. Dieses Ergebnis entspricht einer lokalen Signifikanz von 2.5\,$\sigma$. Diese reduziert sich auf 1.7\,$\sigma$ wenn berücksichtigt wird, dass ein Signal an jedem Punkt der $m_{\ell\ell}$-Verteilung auftreten kann. Das Zählexperiment liefert konsistente Ergebnisse. Um den Einfluss dieser Ergebnisse auf Supersymmetrie zu studieren, werden die Ergebnisse des Zählexperiments in zwei vereinfachten Modellen von Paarproduktion von Bottom-Squarks interpretiert.

In this thesis, a search for Supersymmetry in events with two opposite-sign same-flavour leptons, jets and missing transverse energy is presented. The considered dataset of proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 8$\,\mathrm{TeV}$, recorded with the CMS detector, corresponds to an integrated luminosity of 19.5\,$\mathrm{fb}^{-1}$. The analysis focusses on the correlated production of electron or muon pairs with opposite sign in the cascade decays of heavy super-symmetric particles. In the decay of a heavy neutralino into two leptons and a lighter neutralino, the mass difference between the two neutralinos sets an upper limit on the invariant mass $m_{\ell\ell}$ of the dilepton system, resulting in a characteristic edge in the $m_{\ell\ell}$ distribution. Other parts of the signal signature include several hadronic jets and, as the lightest supersymmetric particle, in this case the lighter neutralino, is assumed to be stable and leaves the detector undetected, missing transverse energy. Therefore, events are selected with at least two opposite-sign same-flavour leptons and requirements on the number of jets and the missing transverse energy. Backgrounds from known Standard Model processes contributing to this selection are categorized as either flavour-symmetric or containing the correlated production of leptons, for example in the decay of a $\mathrm{Z}$ boson. The dominant flavour-symmetric background can be estimated with high precision from events with opposite-flavour lepton pairs. Small corrections to the flavour-symmetry of these processes, caused by experimental effects, are derived on data with two independent methods, which give consistent results. The backgrounds containing flavour-correlated production of leptons are a sub-dominant contribution and also estimated from data. Deviations of the observed data from the background estimation are assessed in two ways. In a counting experiment, the number of observed events is compared to the estimated yield. In search for the characteristic edge signature, a fit to the \mll distribution is performed, using separate models for the two types of background and a triangular signal shape. The fit results in an edge position of $82.4^{+2.1}_{-3.3}$\,GeV and a signal yield of $140\pm44$ events for leptons reconstructed in the central part of the CMS detector. This results corresponds to a local significance of 2.5\,$\sigma$, which reduces to 1.7$\,\sigma$ when taking into account the fact that a signal could occur anywhere in the $m_{\ell\ell}$ distribution. The counting experiment gives consistent results. To study the impact of the result on Supersymmetry, the results of the counting experiment are interpreted in two simplified models of pair production of bottom squarks.

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