Search for Supersymmetry in proton-proton collisions with the CMS experiment in the LHC

Abstract

The current thesis presents a search for Supersymmetry in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV, using data recorded by the CMS experiment during LHC Run II and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. The analysis searches for signs of pair-produced gluinos that decay either to a top-antitop quark pair and a neutralino, the lightest supersymmetric particle, or to two light quarks and an intermediate chargino, with the latter decaying to a W boson and a neutralino. Events with a single isolated electron or muon, accompanied by several high-energy hadronic jets and high missing transverse momentum are used. Depending on the decay channel, events with jets tagged as originating from b quarks are either selected or vetoed. The separation of background and signal processes is achieved using kinematic variables and algorithms, based on Machine Learning techniques, for the identification of hadronic decays of top quarks and W bosons. The numbers of events expected from Standard Model processes are estimated from data with corrections from Monte Carlo simulations and are compared to the event yields observed in the data. As no statistically significant deviations from the background estimations are observed, exclusion limits on the production cross section for gluinos are set as a function of the gluino and neutralino masses. As a result, at 95% confidence level, gluinos with masses up to 2130 (2280) GeV and neutralinos with masses up to 1270 (1220) GeV for gluino decays to top quarks (W bosons) are set. The thesis also presents two additional pieces of work: the first is on an alternate approach to the analysis based on Machine Learning and using adversarial training for the estimation of the background, while the second is on an optimization of the CMS Level-1 Trigger for electrons and photons during LHC Run II.

Στην παρούσα διατριβή, παρουσιάζεται μια διερεύνηση της Υπερσυμμετρίας σε συγκρούσεις πρωτονίων με ενέργεια κέντρου μάζας 13 TeV, χρησιμοποιώντας δεδομένα που καταγράφηκαν από το πείραμα CMS στο Run II του LHC και που αντιστοιχούν σε φωτεινότητα 138 fb−1. Η ανάλυση αναζητά ενδείξεις για την παραγωγή gluinos, που διασπώνται είτε σε ζεύγος top-antitop quarks και το ελαφρύτερο υπερσυμμετρικό σωματίδιο, το neutralino, είτε δύο ελαφρά quarks και ένα ενδιάμεσο chargino, το οποίο με τη σειρά του διασπάται σε ένα μποζόνιο W και ένα neutralino. Γεγονότα με ένα μόνο απομονωμένο ηλεκτρόνιο ή μιόνιο, συνοδευόμενο από αρκετούς αδρονικούς πίδακες υψηλής εγκάρσιας ορμής και υψηλή ελλείπουσα εγκάρσια ορμή. Ανάλογα με το κανάλι διάσπασης, απαιτούνται ή αποκλείονται γεγονότα με ταυτοποιημένο b-quark. Ο διαχωρισμός υποβάθρου και σήματος επιτυγχάνεται με χρήση κινηματικών μεταβλητών καθώς και με την εισαγωγή αλγορίθμων Μηχανικής Μάθησης για την ταυτοποίηση αδρονικών διασπάσεων top quarks και μποζόνιων W. Το υπόβαθρο από διαδικασίες του Καθιερωμένου Προτύπου εκτιμάται από τα δεδομένα μαζί με διορθώσεις από προσομοιώσεις Μonte Carlo. Καθώς δεν παρατηρείται στα δεδομένα στατιστικά σημαντική απόκλιση από τις εκτιμήσεις του υποβάθρου, υπολογίζονται όρια αποκλεισμού στις ενεργές διατομές για την παραγωγή και διάσπαση των gluinos, ως συνάρτηση των μαζών των glunio και neutralino. Ως αποτέλεσμα, αποκλείονται σε επίπεδο εμπιστοσύνης (confidence level) 95%, μάζες των gluino έως 2130 (2280) GeV και μάζες των neutralino έως 1270 (1220) GeV για τις διασπάσεις του gluino σε top quark (W boson). Η διατριβή παρουσιάζει επίσης δυο επιπρόσθετες εργασίες. Η πρώτη είναι μία εναλλακτική προσέγγιση της ανάλυσης βασισμένη σε Μηχανική Μάθηση (Machine Learning) και χρήση τεχνικών adversarial training για την εκτίμηση υποβάθρου. Η δεύτερη στη βελτιστοποίηση του σκανδαλιστή ηλεκτρονίων και φωτονίων πρώτου επιπέδου toυ CMS (Level-1 electron/photon Trigger) κατά τη διάρκεια της περιόδου Run II του LHC.