Search for second generation leptoquark particles in ATLAS / LHC experiment

Abstract

In the present thesis the data analysis of ATLAS/LHC detector for the search for second generation pair of scalar leptoquarks (LQ) is been described. The data have been acquired during Run 1 and Run 2 periods. LQs are hypothetical bosons arising naturally in many beyond Standard Model (BSM) theories, e.g. Super Symmetric (SUSY) models and Grand Unified Theories (GUTs). The pair of second generation scalar LQs decay to a charged lepton (muon) and a jet of second generation coming from the first LQ and to a neutral lepton (muon neutrino) and a jetof second generation coming from the second LQ. Second generation jets come from charm and strange quarks through hadronisation procedure. Given that ATLAS detector is not in a positionto detect neutrinos, their in direct detection is feasible through missing transverse energy. The first analysis was based on data acquired by ATLAS during 2012 with a total center-of-mass energy of 8 TeV and an integrated luminosity of 20.3 fb -1 , while the second was based on data acquired by ATLAS during 2015 – 2016 with a total center-of-mass energy of 13 TeV and an integrated luminosity of 36.1 fb -1. Quality criteria for the objects and events selection have been applied. Simulated MC samples for the comparison with data have been used and a full statistical evaluation for the confidence limits extraction of the final results has been performed. There has not been any indication of a potential signal excess, while an extension of the known limits of LQ cross-section production with respect to LQ mass has been taken place. Finally, the work done with CSC sub-detectors of ATLAS Muon Spectrometer as my qualification task is been presented.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή περιγράφεται η ανάλυση των δεδομένων του ανιχνευτή ATLAS/LHC για την ανίχνευση του βαθμωτού ζεύγους των υποθετικών σωματιδίων λεπτοκουάρκ δεύτερης γενιάς κατά τη διάρκεια της Περιόδου 1 και της Περιόδου 2 λήψης δεδομένων. Τα λεπτοκουάρκ είναι υποθετικά μποζόνια τα οποία αναδύονται φυσικά σε αρκετές θεωρίες πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο, όπως π.χ. υπερσυμμετρικά μοντέλα και μεγαλοενοποιημένες θεωρίες. Το ζεύγος βαθμωτών λεπτοκουάρκ δεύτερης γενιάς το οποίο αναζητείται δίνει ως προϊόντα διάσπασης ένα φορτισμένο λεπτόνιο (μιόνιο) και ένα τζετ δεύτερης γενιάς από τη διάσπαση του πρώτου μποζονίου και ένα αφόρτιστο λεπτόνιο (νετρίνο μιονίου) και ένα τζετ δεύτερης γενιάς από τη διάσπαση του δεύτερου. Τα τζετ δεύτερης γενιάς προέρχονται από τα κουάρκ charm και strange μέσω της διαδικασίας της αδρονοποίησης. Δεδομένου ότι ο ανιχνευτής ATLAS δε μπορεί να ανιχνεύσει νετρίνα, αυτά ανιχνεύονται έμμεσα ως εγκάρσια ελλείπουσα ενέργεια. Η πρώτη ανάλυση βασίστηκε στα γεγονότα που συγκέντρωσε ο ανιχνευτής κατά το έτος 2012 σε συνολική ενέργεια κέντρου μάζας 8 TeV και συνολική φωτεινότητα 20.3 fb -1 , ενώ η δεύτερη στα γεγονότα που συγκεντρώθηκαν κατά τα έτη 2015 – 2016 σε συνολική ενέργεια κέντρου μάζας 13 TeV και συνολική φωτεινότητα 36.1 fb -1. Εφαρμόστηκαν ποιοτικά κριτήρια επιλογής γεγονότων και αντικειμένων, χρησιμοποιήθηκαν προσομοιωμένα αρχεία MC για τη σύγκριση και έγινε πλήρης στατιστική ανάλυση για την εκτίμηση των επιπέδων εμπιστοσύνης των τελικών αποτελεσμάτων. Τα αποτελέσματα δεν έδειξαν κάποια πιθανή ύπαρξη πλεονάσματος πιθανού σήματος, ενώ έγινε επέκταση των γνωστών ορίων της ενεργού διατομής παραγωγής του ζεύγους λεπτοκουάρκ σε συνάρτηση με τη μάζα του λεπτοκουάρκ. Τέλος, παρουσίαζεται η εργασία που έγινε στους υπο-ανιχνευτές CSC του Μιονικού Φασματόμετρου του ATLAS στο πλαίσιο του qualification task.