Simultaneous production of two bosons in the ATLAS experiment at LHC

Abstract

This thesis explores diboson and vector boson scattering (VBS) processes, focusing on the simultaneous production of a W± and a Z gauge boson from proton-proton collisions at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. For this study, data, which were collected from 2015 to 2018 by the ATLAS experiment and correspond to an integrated luminosity of 140 fb-1 at a center-of-mass 13 TeV, are used. These two processes provide the ideal ground for searches for physics beyond the Standard Model (SM) through deviations from the predicted vector boson self-couplings. These deviations could result in additional contributions to triple and quartic gauge couplings. The way to study such deviations is through an Effective Field Theory (EFT). The use of an EFT allows for systematic exploration of higher-dimensional operators. The relevant operators to our processes are the dimension-6 and dimension-8 operators. The potential effect of various dimension-6 and dimension-8 operators on the W±Z diboson and VBS productions are studied. Finally, the 95% Confidence Level (CL) expected and observed limits for the dimension-8 operators that affect the WZjj VBS process, are extracted.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model, SM) της Σωματιδιακής Φυσικής είναι μια εξαιρετικά επιτυχημένη θεωρία που περιγράφει τη συμπεριφορά των στοιχειωδών σωματιδίων και των αλληλεπιδράσεών τους μέσω των ηλεκτρομαγνητικών, ασθενών και ισχυρών δυνάμεων. Έχει δοκιμαστεί με απίστευτη ακρίβεια σε μια ευρεία γκάμα πειραμάτων και έχει μπορέσει να προβλέψει πολλά νέα φαινόμενα και σωματίδια που στη συνέχεια έχουν ανακαλυφθεί. Ωστόσο, παρά την επιτυχία του, το Καθιερωμένο Πρότυπο έχει ακόμα ορισμένες περιορισμούς που υποδηλώνουν την ύπαρξη νέας φυσικής πέρα από αυτό. Παρά τους περιορισμούς αυτούς, το Καθιερωμένο Πρότυπο παραμένει μία από τις πιο επιτυχημένες θεωρίες στη φυσική και παρέχει ένα ισχυρό πλαίσιο για την κατανόηση της συμπεριφοράς των σωματιδίων και των αλληλεπιδράσεών τους στην υποατομική κλίμακα. Ο Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής Σωματιδίων (LHC) και ο ανιχνευτής ATLAS έχουν παίξει καθοριστικό ρόλο στον έλεγχο των προβλέψεων του Καθιερωμένου Προτύπου και στην αναζήτηση νέας φυσικής πέρα από αυτό, ανοίγοντας νέες δυνατότητες για ανακαλύψεις στον τομέα της σωματιδιακής φυσικής.Ο Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής (LHC) είναι ο μεγαλύτερος και ισχυρότερος επιταχυντής σωματιδίων στον κόσμο, βρίσκεται στο CERN (Ευρωπαϊκός Οργανισμός Πυρηνικής Έρευνας) κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας. Ο LHC έχει σχεδιαστεί για να εξερευνά τις ιδιότητες των στοιχειωδών σωματιδίων και των αλληλεπιδράσεών τους, καθώς και για να αναζητά νέα φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Ένα από τα τέσσερα κύρια πειράματα στο LHC είναι ο ανιχνευτής ATLAS, ο οποίος έχει σχεδιαστεί ως ένας γενικού σκοπού ανιχνευτής, με στόχο να εξερευνήσει την ύπαρξη νέων σωματιδίων μέχρι μάζες που φτάνουν τα TeV και να αναζητήσει νέες αλληλεπιδράσεις πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Η πιο σημαντική συνεισφορά του ανιχνευτή ATLAS είναι η ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs το 2012, η οποία επιβεβαίωσε την ύπαρξη του πεδίου Higgs και ολοκλήρωσε το Καθιερωμένο Πρότυπο της Σωματιδιακής Φυσικής.Γενικά, πριν από την παρατήρηση του μποζονίου Higgs, οι διμποζονικές παραγωγές ήταν ο κύριος τρόπος μελετης του σπασίματος της ηλεκτροασθενούς συμμετρίας. Τα μποζόνια W και Z είναι οι μεταδότες της ασθενούς δύναμης, η οποία είναι υπεύθυνη για ορισμένες θεμελιώδεις διεργασίες, όπως η β-διάσπαση. Η κατανόηση της συμπεριφοράς αυτών των μποζονίων και των αλληλεπιδράσεών τους ήταν ουσιώδους σημασίας για την αποκρυπτογράφηση των μυστηρίων της σωματιδιακής φυσικής. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη της διμποζονικής παραγωγής ενός W± και ενός Z μποζονίου βαθμίδας, όπως επίσης και στην ταυτόχρονη σκέδαση των μποζονίων αυτών (VBS) από τις συγκρούσεις των αρχικών κουάρκ των πρωτονίων στο LHC στο CERN. Για τη μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα που συλλέχθηκαν από το πείραμα ATLAS κατά την περίοδο 2015-2018 και αντιστοιχούν σε ολοκληρωμένη φωτεινότητα 140 fb-1 σε ενέργεια κέντρου μάζας 13 TeV. Οι παραπάνω διαδικασίες είναι πολύ σπάνιες, με την VBS διαδικασία να είναι η πιο σπάνια, καθώς έχουν πολύ μκρές ενεργές διατομές. Ωστόσο, είναι πολύ μεγάλης σημασίας αφού μπορούν να παράσχουν κρίσιμες πληροφορίες σχετικά με τη φύση του μηχανισμού Higgs ή την πιθανή ύπαρξη νέας φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Στο πλαίσιο της μελέτης αυτών των δύο σημαντικών διαδικασιών, η συγγραφέας συνέβαλε στη λεπτομερή βελτιστοποίηση των κριτηρίων επιλογής των μιονίων, που προέρχονται από τις διασπάσεις των μποζονίων, Η επιλογή των μιονίων είναι ένα κρίσιμο στοιχείο της επιλογής γεγονότων του πειράματος ATLAS, καθώς βοηθά στη μείωση του θορύβου από εσφαλμένα ταυτοποιημένα μιόνια και τη βελτίωση του λόγου σήματος προς θόρυβο. Οι δύο αυτές διαδικασίες προσφέρουν το ιδανικό έδαφος για την εξερεύνηση φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο, μέσω αποκλείσεων από τις προβλεπόμενες αυτο-συζεύξεις των μποζονίων βαθμίδας. Αυτές οι αποκλίσεις μπορούν να έχουν ως αποτέλεσμα επιπρόσθετες συνεισφορές στις τριπλές και τετραπλές αυτο-συζέυξεις των μποζονίων αυτών.Η κύρια και πρωτοπόρα συνεισφορά τη συγγραφέως ηταν η μελέτη της ύπαρξης ανώμαλων τριπλών και τετραπλών αυτο-συζεύξεων των μποζονίων W± και Z. Ο τρόπος για τη μελέτη τέτοιων αποκλίσεων είναι μέσω μιας Ενεργού Θεωρίας Πεδίου (EFT). Η χρήση μια ενεργούς θεωρίας πεδίου μας επιτρέπει να μελετήσουμε την ύπαρξη τελεστών μεγαλύτερων διαστάσεων. Οι πιο σημαντικοί τελεστές για τις δύο διαδικασίες που μελετάμε είναι οι τελεστές διάστασεων-6 και διαστάσεων-8. Στη διατριβή αυτή μελετάται η επίδραση των τελεστών αυτών στην διμποζονική παραγωγή W±Z και στην ταυτόχρονη σκέδαση των δύο μποζονίων σε συνδυασμό με δύο πίδακες σωματιδίων. Τέλος, εξάγονται τα 95% αναμενόμενα και παρατηρήσιμα όρια πιστότητας για τους τελεστές διαστάσεων-8, οι οποίοι επηρεάζουν την ταυτόχρονη σκέδαση των δύο μποζονίων βαθμίδας. Συνολικά, αυτή η εργασία παρέχει νέες ιδέες σχετικά με τις ιδιότητες των στοιχειωδών σωματιδίων και των αλληλεπιδράσεών τους, και συνεισφέρει στην κατανόηση των θεμελιωδών νόμων της φύσης. Η διατριβή οργανώνεται ως εξής: Το Κεφάλαιο 2 παρέχει μια επισκόπηση του θεωρητικού πλαισίου, ενώ το Κεφάλαιο 3 επικεντρώνεται στα κύρια χαρακτηριστικά του LHC και του πειράματος ATLAS. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται οι μηχανισμοί παραγωγήε γεγονότων Monte Carlo και τα δείγματα δεδομένων και προσομοιώσεων που χρησιμοποιήθηκαν στην ανάλυσή μας. Το Κεφάλαιο 5 εξηγεί τις τεχνικές ανακατασκευής αντικειμένων που χρησιμοποιούνται στο ATLAS, ενώ το Κεφάλαιο 6 παρουσιάζει την ανάλυσή μας για την παραγωγή των διμποζονική παραγωγή ενός W± και ενός Z μποζονίου βαθμίδας και την μελέτη ανώμαλων τριπλών αυτο-συζεύξεων των μποζονίων αυτών στο πλαίσιο μιας ενεργού θεωρίας πεδίου. Τέλος, το Κεφάλαιο 7 συζητά την ταυτόχρονη σκέδαση των μποζονίων W± και Z και την μελέτη ανώμαλων τριπλών και τετραπλών αυτο-συζεύξεων των μποζονίων αυτών στο πλαίσιο μιας ενεργού θεωρίας πεδίου, ενώ στο Κεφάλαιο 8 παρουσιάζεται μια σύνοψη της εργασίας και τα μελλοντικά σχέδιά μας.