Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-7448
Authors: Neuhaus, Friedemann
Advisor: Schott, Matthias
Title: Search for Axions at the LHC
Online publication date: 5-Aug-2022
Language: english
Abstract: The Standard Model of Particle Physics (SM) is able to describe almost all measurements in particle physics with extraordinary precision. However, few phenomena within the greater scope of particle physics lack an explanation by the SM. Although there have been many searches for all kinds of new particles at the Large Hadron Collider (LHC), to the surprise of many physicists, no beyond Standard Model particle has been discovered to date. Most measurements focus on the search for heavy, centrally produced particles from interactions of two protons. As new particles do not have to be heavy but could be very light, these experiments cover only a fraction of the yet unexplored parameter space. In this thesis, two different approaches are presented to search for a group of light particles summarized under the term Axion-Like-Particles (ALPs). The first approach utilizes the LHC as a photon collider to probe for the resonant production of an ALP in photon-photon scattering within the ATLAS detector. This measurement not only results in the first direct observation of the light-by-light scattering process, but also to the most stringent limits on the ALP to photon coupling in a mass range of m_a = 6 - 100 GeV. The second search is based on a new experiment at the LHC called the FASER experiment. The experiment was installed in March 2021. Data taking will start once the LHC resumes operations in 2022. In this thesis, the contributions to the design and commissioning of the FASER detector are presented. This includes the development of a dedicated calibration system for the calorimeter and commissioning of various sub-systems. In addition, a possible design for a future detector upgrade is evaluated. Its realization will improve the sensitivity for ALP to di-photon decay signatures.
Das Standardmodell der Teilchenphysik (SM) kann nahezu alle Messungen in der Teilchenphysik exakt berechnen und vorhersagen. Es gibt allerdings noch immer Beobachtungen, die sich nicht mit dem Modell beschreiben lassen und darauf hindeuten, dass das SM noch nicht vollständig ist. Zur Überraschung vieler Physiker konnten auch nach großen Bemühungen und der Untersuchung verschiedenster Modelle am Large Hadron Collider (LHC) bisher keine über das SM hinausgehenden Teilchen nachgewiesen werden. Die meisten Messungen konzentrieren sich dabei jedoch auf die Suche nach schweren, zentral produzierten Teilchen, die bei der Wechselwirkungen von zwei Protonen entstehen. In dieser Arbeit werden zwei verschiedene Ansätze für die Suche nach leichten Teilchen vorgestellt, die unter dem Begriff Axion-Like-Particles (ALPs) zusammengefasst werden. Der erste Ansatz nutzt dazu den LHC als Photonenbeschleuniger und sucht nach der resonanten Produktion eines ALP in der Photon-Photon-Streuung mit Hilfe des ATLAS-Experiments. Diese Messung führt nicht nur zur ersten direkten Beobachtung der Streuung von Licht an Licht, sondern auch zu den strengsten Grenzwerten für die Kopplung von ALP mit Photonen in einem Massenbereich von m_a = 6 - 100 GeV. Die zweite Suche basiert auf einem neuen Experiment am LHC, dem FASER-Experiment. Das Experiment wurde im März 2021 installiert, allerdings beginnt die Datennahme erst, wenn der LHC im Jahr 2022 den Betrieb wieder aufnimmt. In dieser Arbeit werden die Beiträge zum Design und zur Inbetriebnahme des FASER-Detektors vorgestellt. Dazu gehören die Entwicklung eines speziellen Kalibrierungssystems für das Kalorimeter und die Inbetriebnahme verschiedener Subsysteme. Darüber hinaus wird ein Design für ein zukünftiges Detektor-Upgrade vorgestellt, welches die Messempfindlichkeit für Zerfälle von ALP in zwei Photonen verbessert.
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-7448
URN: urn:nbn:de:hebis:77-openscience-0a36f6cf-af88-4019-8ec9-c0c79e6420456
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: CC BY-ND
Information on rights of use: https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/
Extent: iv, 213 Seiten, Illustrationen, Diagramme
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