Application of statistical methods with emphasis on Machine Learning for the analysis of experimental data from the ATLAS experiment at the LHC at CERN

Abstract

The present dissertation studies mainly interactions of the W and Z bosons using data from the ATLAS detector collected during the operation of CERN's LHC accelerator in the period 2015-2018, also "Run 2" operating period. This data corresponds to an integrated luminosity of 139 fb-1. This study is carried out on the one hand in the general context of the WZ diboson production, and on the other hand in the context of the Vector Boson Scattering (VBS) interactions, characterized by the simultaneous presence of two hadronic jets in the final state, along with the two vector bosons. In the beginning, an introduction to the ATLAS experiment and to the experimental methodology used for data collection and analyses is presented. Then, work performed as part of the authorship qualification task for the reception of the ATLAS author status is presented. This work entails firstly the author's contribution to the calculation of scale factors to be used in simulated muons in the forward part of the ATLAS detector, in the rapidity range of 2.5<|η|<2.7 . These factors are used to correct available simulated data to be used in experimental analyses. In parallel, responsibilities in the quality assurance-quality control were taken up during the MicroMegas construction procedure, that was realised at the Particle Detector Construction Laboratory, in the Physics Department at A.U.Th. The MicroMegas detectors have already been installed in the experiment as part of the Muon Spectrometer and specifically the New Small Wheel (NSW). A description of the physics motivation and the experimental procedure followed for the analysis is presented in the next chapters. First, the calculation of Reducible Background in the Diboson WZ production is studied. This background consists of the ttbar, Z+jets and Zγ processes, and it can be mistaken as signal due to one or more of the selected leptons is a mis-identified jet or lepton coming from photon conversion, called 'fake' leptons in this context. To avoid directly using inaccurate Monte Carlo (MC) simulation to estimate this background, a data-driven computation is performed using a method that involves the inversion of a generalized matrix containing probabilities of selecting a 'fake' (Fake Factors), computed in separate Control Regions using MC simulation, and the normalization factor is computed. Next, the expected discovery significance of the purely-electroweak WZ process is measured in the WZjj VBS phase space. In addition, the normalization factor for WZ-EW simulation is calculated. The Profile Likelihood method was used to simultaneously fit signal and background control regions, utilizing the full Run 2 available simulated events. Finally, results on the parameter estimation from a search of signs of New Physics using an Effective Field Theory re-interpretation of the WZ electroweak process in the WZjj VBS phase space are presented. The search relates to deviations from the Standard Model of Quartic Gauge Boson (QGCs) interactions, with relevant effective field operators of dimension 8. The confidence limits of allowed parameter values for the model's Lagrangian operator coefficients are calculated using Run 2 simulated and observed data.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται ως επί το πλείστον τη μελέτη των μποζονίων βαθμίδος W και Z με τη χρήση δεδομένων από τον ανιχνευτή ATLAS που συλλέχθηκαν κατά τη λειτουργία του επιταχυντή LHC στο διάστημα 2015-2018, το οποίο είναι γνωστό ως "Run 2". Τα δεδομένα αυτά αντιστοιχούν σε ολοκληρωμένη φωτεινότητα 139 fb-1. Η μελέτη αυτή γίνεται αφ'ενός στο γενικό πλαίσιο της διμποζονικής παραγωγής WZ, και αφ'ετέρου στο πλαίσιο των διμποζονικών αλληλεπιδράσεων VBS, που χαρακτηρίζεται από την ταυτόχρονη παρουσία δύο πιδάκων αδρονίων jets στην τελική κατάσταση παράλληλα με τα δύο μποζόνια. Αρχικά πραγματοποιείται μια εισαγωγή στο πείραμα ATLAS και στην πειραματική μεθοδολογία και τεχνικές που χρησιμοποιούνται στο πλαίσιο της συλλογής δεδομένων και των αναλύσεων του πειράματος. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται το σύνολο της εργασίας που αφορά την απόκτηση τίτλου συγγραφέως για το πείραμα από τον γράφοντα. Η εργασία αυτή αφορά εν πρώτοις τη συνεισφορά στον υπολογισμό παραγόντων κλίμακας για τη χρήση σε προσομοιωμένα μιόνια στο πρόσθιο μέρος του ανιχνευτή που χαρακτηρίζεται από 2.5<|η|<2.7 , απαραίτητο για τη διόρθωση των διαθέσιμων δεδομένων προσομοίωσης προς χρήση σε αναλύσεις. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκαν καθήκοντα QA/QC στις διαδικασίες κατασκευής ανιχνευτών MicroMegas, ως μέλος του εργαστηρίου του τμήματος Φυσικής Α.Π.Θ., η οποία έχει ολοκληρωθεί και οι ανιχνευτές έχουν ήδη τοποθετηθεί στο πείραμα ώς μέρος του μιονικού φασματόμετρου και συγκεκριμένα του New Small Wheel (NSW). Έπειτα, αναλύεται ο υπολογισμός του υποβάθρου της διμποζονικής παραγωγής WZ που δύναται να ελαττωθεί, συνιστώμενο από τις αλληλεπιδράσεις ttbar, Z+jets και Zγ. Το υπόβαθρο αυτό εισέρχεται στο σήμα από την λανθασμένη επιλογή δεδομένων ως συνιστώμενων από αληθή λεπτόνια, ενώ στην πραγματικότητα ένα ή περισσότερα από αυτά δεν ήταν στην πραγματικότητα λεπτόνιο. Αντί για τη χρήση προσομοίωσης απευθείας, πραγματοποιείται υπολογισμός βασισμένος στα δεδομένα με τη χρήση μεθόδου που περιλαμβάνει την αναστροφή ενός γενικευμένου πίνακα που περιλαμβάνει πιθανότητες επιλογής ψευδούς λεπτονίου ως λεπτονίου σήματος (Fake Factors), που υπολογίζονται σε εξειδικευμένες περιοχές ελέγχου (Control Regions) με τη χρήση προσομοίωσης. Στη συνέχεια, μελετώνται οι διεργασίες WZjj VBS με σκοπό τη μέτρηση του παράγοντα κλίμακας για την υπάρχουσα προσομοίωση ηλεκτρασθενούς σήματος WZ-EW με τη στατιστική μέθοδο της μέγιστοποίησης της πιθανοφάνειας (Profile Likelihood) με τις υπάρχουσες προσομοιώσεις δεδομένων του Run 2. Τέλος, πραγματοποιείται εξαγωγή αποτελεσμάτων παραμέτρων από μοντέλο Δραστικής Θεωρίας Πεδίου με σκοπό την αναζήτησης Νέας Φυσικής. Η αναζήτηση αφορά παρεκκλίσεις στις αλληλεπιδράσεις που αφορούν την ιδιοσύζευξη τεσσάρων μποζονίων (anomalous Quartic Gauge Couplings) και το μοντέλο αφορά τελεστές διάστασης 8. Σχετικά μ'αυτό, παρουσιάζεται το εύρος πειραματικών ορίων τιμών για τις επιτρεπόμενες παραμέτρους που αφορούν τους 8 τελεστές του μοντέλου και είναι δυνατόν να επηρεάσουν το υπό μελέτη κανάλι παραγωγής. Η πειραματική καταγραφή της ανακατασκευής των μιονίων της οποίας μέρος ήταν η μελέτη των πρόσθιων μιονίων παρουσιάστηκε στο συνέδριο "HEP 2019 - Conference on Recent Developments in High Energy Physics and Cosmology" δημοσιεύτηκε στο European Physics Journal C (EPJC) από το πείραμα ATLAS, ενώ η κατασκευή των ανιχνευτών MicroMegas έχει δημοσιευτεί στο International Journal of Science Invention (IJESI). Η μελέτη σχετικά με το υπόβαθρο που δύναται να ελαττωθεί για τη διμποζονική παραγωγή WZ παρουσιάστηκε στο "38th Conference on Recent Developments in High Energy Physics and Cosmology, Thessaloniki, Greece".