The upgraded ATLAS detector for the search of new physics with diboson final states

Abstract

In this dissertation, a study of WZ inclusive production as well as WZ production via the Vector Boson Scattering (VBS) process from proton-proton collisions at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN is presented. The data analyzed in this study were recorded by the ATLAS experiment and correspond to integrated luminosity of 36.1 fb−1 at a centre-of-mass energy of 13 TeV. We select events consistent with fully leptonic WZ decays to electrons and muons only. In this doctoral thesis, the muon efficiency in the forward region of the ATLAS detector is presented. “Scale factors” were provided to scale the muon efficiency in the Monte Carlo simulations, to match the muon efficiency observed in data. These results were used in all ATLAS Run-II analyses using muons.The WZ events are required to have three isolated leptons and missing transverse energy. The major background to the signal are events from ZZ, Z+jets and ttbar production. The background from ZZ is estimated from Monte Carlo simulations, and the Z+jets and ttbar background is estimated from data. The measured inclusive cross section in the detector fiducial region for a single leptonic decay mode was measured to be: σfid = 63.7 ± 1.0(stat.) ± 2.3(syst.) ± 1.4(lumi.)fb.The WZ VBS events are selected from the WZ events, by requiring two additional energetic (pT > 40GeV ) jets with opposite pseudorapidity and dijet invariantmass above 500 GeV. The major background to the WZ VBS are the WZjj areevents originating from QCD processes, the ttV , where V is a W or a Z, and the ZZjj. These are estimated from Monte Carlo simulations which were scaled to match the data in appropriate control regions. The measured cross section in the detector fiducial region for a single leptonic decay mode was measured: σEW(W±Zjj→lνlljj)=0.57 ±0.14 −0.13(stat.) ±0.05 (sys.)0.04 (th.)fb.In addition, the potential effect of New Physics on the WZ inclusive and VBS process through Effective Field theory operators (of Dimension-6 and Dimension- 8) are studied. evaluating the potential effect of various operators on the WZ inclusive and VBS phase space. The muon reconstruction efficiency study has been presented to the ICNFP 2016 and the XIIth quark confinement and the Hadron spectrum. The WZ VBS measurement has been published to Physics Letters B,Volume 793, and presented at the Lepton-Photon 2019 conference. The EFT studies have been presented to the Multi-Boson Interactions 2019, HEP 2019.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη παραγωγής γεγονότων W ± Z από συγκρούσεις πρωτονίων στο Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), και την ταυτόχρονη σκέδαση δυο μποζονίων βαθμίδας W, Z από τα αρχικά κουάρκ των πρωτονίων στις συγκρούσεις του LHC (Vector Boson Scattering). Τα γεγονότα που αναλύθηκαν καταγράφτηκαν από το πείραμα ATLAS και αντιστοιχούν σε ολοκληρωμένη φωτεινότητα 36.1 fb−1 σε ενέργεια κέντρου μάζας 13 TeV. Επιλέγονται τα γεγονότα στα οποία τα W±Z διασπώνται σε ηλεκτρόνια και μιόνια. Ένα μέρος της διατριβής αφορά στη μελέτη της απόδοσης της ανακατασκευής των μιονίων στην εμπρόσθια περιοχή. Η μελέτη αυτή έγινε στα πλαίσια της απόκτησης του τίτλου του ”συγγραφέα” στο πείραμα ΑΤΛΑΣ, και αποτελεί σημαντική συνεισφορά στο Πείραμα, καθότι δίνει την δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν τα μιόνια της εμπρόσθιας περιοχής του ανιχνευτή και επομένως αυξάνει την διαθέσιμη στατιστική, ιδιαίτερα για αναλύσεις που αναζητούν σπάνια γεγονότα που περιλαμβάνουν και μιόνια. Τα γεγονότα W ± Z πρέπει να έχουν τρία καλώς απομονωμένα λεπτόνια και ελλείπουσα ενέργεια. Η κυρίαρχη πηγή υποβάθρου είναι τα γεγονότα που προέρχονται από διαδικασίες ZZ, Z + jets, ttbar. Οι συνεισφορές υποβάθρου από διαδικασίες ΖΖ υπολογίζονται χρησιμοποιώντας γεγονότα προσομοίωσης από Monte Carlo. Το υπόβαθρο όμως που προέρχεται από τη διαδικασία Z + jets καθώς επίσης και από την παραγωγή του ttbar quark εκτιμάται χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του AT LAS , επειδή οι προσομοιώσεις δεν περιγράφουν με ακρίβεια τις συγκεκριμένες διασπάσεις. Η ενεργός διατομή για για καθένα από τα τέσσερα λεπτονικά κανάλια που εξετάστηκαν μετρήθηκε σfid= 63.7 ± 1.0(stat.) ± 2.3(syst.) ± 1.4(lumi.)fb. Τα γεγονότα W Z από σκέδαση μποζονίων βαθμίδας επιλέγονται από την προηγούμενη κατηγορία WZ, αν περιέχουν δυο πiδακες σωματιδίων σε αντίθετα χωρικά ημισφαίρια και αναλοίωτη μάζα του ζεύγους μεγαλύτερη από 500GeV . Η κυρίαρχη πηγή υποβάθρου είναι τα γεγονότα που προέρχονται από διαδικασίες W Zjj − QCD, ttV και ZZjj. Οι συνεισφορά στο υπόβαθρο από τις παραπάνω διαδικασίες υπολογίζονται χρησιμοποιώντας γεγονότα προσομοίωσης από Monte Carlo και δεδομένα του ATLAS. Η ενεργός διατομή για ένα λεπτονικό κανάλι διάσπασης μετρήθηκε σEW (W ±Zjj → lνlljj) = 0.57 ±0.14 −0.13(stat.) ±0.05 (sys.)0.04 (th.)fb. Επιπλέον, πιθανά αποτελέσματα φυσικής πέρα απο το −0.04 −0.03 καθιερωμένο πρότυπο αναζητήθηκαν στα κανάλια λεπτονικών διασπάσεων WZ και WZVBS μέσω των τελεστών Ενεργών Θεωριών Πεδίου, με διαστάσεις 6 και 8. Η ευαισθησία όλων των πιθανών τελεστών μελετήθηκε με χρήση προσομοιώσεων MonteCarlo. Η μελέτη της απόδοσης της ανακατασκευής των μιονίων στην εμπρόσθια περιοχή παρουσιάστηκε στα συνέδρια ICNFP 2016 και XIIth quark confinement and the Hadron spectrum. Η μέτρηση του λεπτονικού καναλιού WZ VBS εκδόθηκε στο Physics Letters B,Volume 793 και παρουσιάστηκε στο συνέδριο Lepton-Photon 2019. Οι μελέτες σχετικά με τις Ενεργές Θεωρίες Πεδίου παρουσιάστηκαν στα συνέδρια Multi-Boson Interactions 2019 και HEP 2019.