Authors:	Jakobi, Katharina
Title:	Search for Physics Beyond the Standard Model with a Shape Fit Method in Final States with Jets and Missing Transverse Energy at the ATLAS Experiment
Online publication date:	29-Jan-2020
Year of first publication:	2020
Language:	english
Abstract:	Das Standardmodell (SM) der Elementarteilchenphysik ist eine Zusammenfassung aller bekannten Elementarteilchen und deren Wechselwirkungen und erlaubt enorm präzise Vorhersagen und Beschreibungen fast aller physikalischen Phänomene. Allerdings gibt es experimentelle Hinweise auf die Unvollständigkeit dieses Modells. Zahlreiche Theorien jenseits des Standardmodells (BSM) wie beispielsweise Theorien der Dunklen Materie oder der Extra-Dimensionen bieten mögliche Erweiterungen des SM an. Eine sehr vielversprechende BSM-Theorie ist die Supersymmetrie (SUSY), die eine gebrochene Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen beschreibt und unter anderem die Existenz eines möglichen Dunkle-Materie-Kandidaten vorhersagt, des Neutralinos (X^0_1). Gemeinsam ist diesen Modellen, dass sie eine ähnliche Signatur mit Jets und fehlender Transversalenergie im Detektor hinterlassen würden. Der ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider (LHC) ist als Vielzweckdetektor hervorragend geeignet, um die Existenz möglicher BSM-Teilchen nachweisen zu können. Die Daten, die in den Jahren 2015 und 2016 bei Proton-Proton-Kollisionen mit einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV und einer integrierten Luminosität von insgesamt 36.1 fb^-1 aufgenommen werden konnten, wurden nach BSM-Signaturen mit hochenergetischen Jets sowie hoher fehlender Transversalenergie durchsucht. Diese Arbeit präsentiert die Analyse solcher Ereignisse mit BSM-ähnlicher Signatur mittels einer formsensitiven Methode, die ein vereinfachtes SUSY Modell (q~ -> q + X^0_1) als Bezugsmodell verwendet. Dieses sagt eine Paarproduktion von Squarks (q~) vorher. Deren Zerfall führt zu einem Endzustand mit Jets aus den entstandenen Quarks sowie fehlender transversaler Energie durch die Neutralinos, welche den Detektor verlassen ohne detektiert zu werden. Der Endzustand entspricht daher vielen BSM-Signaturen. Die Analyse nutzt die Formunterschiede zwischen den erwarteten SM-Untergründen sowie verschiedener SUSY-Signale in sensitiven kinetischen Variablen. Unter Berücksichtigung der statistischen und dominanten systematischen Unsicherheiten werden die Verteilungen mit der Maximum-Likelihood-Methode an die Daten angepasst, um die Signal- und Untergrundanteile zu bestimmen. Für die Verbesserung der SM-Untergrunderwartungen sowie der damit verbundenen Unsicherheiten werden Daten-basierte Abschätzungen der Hauptuntergründe vorgenommen. Da die Fitresultate eine gute Übereinstimmung der beobachteten Daten mit den erwarteten Untergründen zeigen, können neue Ausschlussgrenzen auf die Massen der supersymmetrischen Teilchen gesetzt werden. Neutralinos können bis zu einer Masse von 800 GeV und Squarks bis zu einer Masse von 1400 GeV ausgeschlossen werden. The Standard Model (SM) of Particle Physics is a summarising theory containing all elementary particles and their interactions and allows very precise predictions and descriptions of almost all known physical phenomena. Nevertheless, there are experimental findings which indicate that this theory is incomplete. There are several theories beyond the Standard Model (BSM) that postulate the existence of new particles such as dark matter or even extra dimensions. The theory of Supersymmetry (SUSY) is one of the most promising extensions to the SM describing a broken symmetry between fermions and bosons. Amongst other things, it also predicts the existence of additional particles such as the neutralino (X^0_1), a suitable candidate for dark matter. The common feature of these BSMs is a similar signature in a particle detector containing jets and missing transverse energy. Being a multi-purpose detector, the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) is perfectly suited to search for evidences of various BSMs. In 2015 and 2016 ATLAS recorded data of the proton-proton collisions at a centre of mass energy of 13 TeV corresponding to a total integrated luminosity of 36.1 fb^-1. These data events were searched for a BSM signature consisting of highly energetic jets and a significant amount of missing transverse energy. This thesis presents an analysis of such events with a BSM like signature using a form sensitive method and a simplified SUSY model (q~ -> q + X^0_1) as a benchmark. The squarks (q~) are assumed to be produced in pairs. Their decay would lead to a final state containing jets, produced by the emerging quarks as well as missing transverse energy due to the neutralinos, which escape the detector undetected. This final state is therefore equivalent to many BSM signatures. The analysis exploits the shape differences between the distributions of the SM backgrounds and the simulated SUSY signals in sensitive kinematic variables. The signal strength and background fractions are determined by a fit to the observed data based on the maximum likelihood method while considering the statistic and all dominant systematic uncertainties. To improve the SM background simulations and reduce uncertainties, a data driven estimation of the main backgrounds is performed. Since the final fit results show a good agreement of observed data and expected standard model backgrounds, it is possible to determine new exclusion limits on the masses of the supersymmetric particles. Neutralino masses up to 800 GeV and squark masses up to 1400 GeV can be excluded.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3607
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000032932
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	iii, 217 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen