Search for new narrow and wide resonances, focusing on dark matter mediators, in dijet events with the CMS experiment at the CERN Large Hadron Collider

Abstract

The main topic of this thesis is the search for physics beyond the Standard Model in data collected from the CMS experiment at the CERN Large Hadron Collider in proton-proton collisions with a center-of-mass energy of √s = 13 TeV. New particles (resonances) are sought in events with at least two jets in the final state using data recorded during the periods 2016, 2017, 2018 corresponding to a total integrated luminosity of 137 fb−1. As part of the analysis, an innovative method was developed to estimate the main background arising from Quantum Chromodynamics. The new method managed to reduce the systematic uncertainties of the analysis drastically, allowing the search to probe resonances with decay width up to 55% of their mass - a result that was impossible with conventional background estimation methods used in similar analyses for the last 20 years. Emphasis is given on interpreting the results with respect to simplified dark matter models where limits are set on the coupling between the quark and the dark matter mediator as a function of the mediator mass. In addition, the development and performance of identification criteria of hadronic jets will be presented. The criteria are capable of rejecting the majority of noise-induced jets with an efficiency on real physics jets greater than 98%. Finally, for the analyses of the upcoming Run III (2022-2025), a detailed study of the performance, quality and characteristics of jets reconstructed using the Particle-Flow algorithm at the High Level Trigger (HLT) level will be shown using tracks created exclusively from measurements of the pixel tracker. By using only the pixel tracks as inputs, the Particle-Flow algorithm accelerates up to 30%, which will allow the experiment to save more data in the future by reducing the trigger thresholds and thus carrying out new physics searches in phase-spaces previously considered inaccessible.

Το κύριο θέμα της διατριβής είναι η αναζήτηση φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο σε δεδομένα που συλλέχθηκαν από το πείραμα CMS στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων του CERN σε συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου με ενέργεια στο σύστημα κέντρου-μάζας √s = 13 TeV. Νέα σωματίδια (συντονισμοί) αναζητώνται σε γεγονότα με τουλάχιστον δύο αδρονικούς πίδακες στην τελική κατάσταση χρησιμοποιώντας δεδομένα που καταγράφτηκαν κατά τις χρονικές περιόδους 2016, 2017, 2018 και αντιστοιχούν σε συνολική ολοκληρωμένη φωτεινότητα 137 fb−1. Στα πλαίσια της ανάλυσης αναπτύχθηκε μια καινοτόμα μέθοδος για την εκτίμηση του κύριου υποβάθρου προερχόμενο από γεγονότα κβαντικής χρωμοδυναμικής. Η νέα μέθοδος κατάφερε να μειώσει τις συστηματικές αβεβαιότητες της ανάλυσης δραστικά, επιτρέποντας την επέκταση της αναζήτησης σε συντονισμούς με εύρος διάσπασης έως και 55% της μάζας τους - αποτέλεσμα που ήταν αδύνατο με τις συμβατικές μεθόδους εκτίμησης υποβάθρου που χρησιμοποιούνται σε αντίστοιχες αναλύσεις τα τελευταία 20 χρόνια. Έμφαση δίνεται στην ερμηνεία των αποτελεσμάτων σε σχέση με απλουστευμένα μοντέλα σκοτεινής ύλης όπου θέτονται όρια στην σύζευξη μεταξύ των κουάρκ και του διαδότη σκοτεινής ύλης ως συνάρτηση της μάζας του διαδότη. Επιπλέον, θα παρουσιαστεί η διαδικασία ανάπτυξης αλλά και η απόδοση κριτήριων αναγνώρισης αδρονικών πιδάκων. Τα κριτήρια είναι ικανά να αποκόψουν την πλειοψηφία των αδρονικών πιδάκων που προέρχονται από θόρυβο με απόδοση σε πραγματικούς αδρονικούς πίδακες σε ποσοστό άνω του 98%. Τέλος, για τις αναλύσεις της επερχόμενης Run III (2022-2025) θα δειχθεί μια λεπτομερής μελέτη της απόδοσης, της ποιότητας και των χαρακτηριστικών της ανακατασκευής αδρονικών πιδάκων με χρήση του αλγορίθμου Particle-Flow σε επίπεδο High Level Trigger (HLT), χρησιμοποιώντας τροχιές που δημιουργούνται αποκλειστικά από μετρήσεις του pixel tracker. Χρησιμοποιώντας μόνο τα pixel tracks ο Particle-Flow αλγόριθμος επιταχύνεται έως και 30%, γεγονός που θα επιτρέψει μελλοντικά στο πείραμα να σώζει περισσότερα δεδομένα μειώνοντας το όριο καταγραφής των σκανδαλιστών (trigger thresholds) και συνεπώς να υλοποιήσει αναζητήσεις νέας φυσικής σε φασικούς και παραμετρικούς χώρους που θεωρούνταν απρόσιτοι προηγουμένως.