Studies of signatures from theories beyond the Standard Model and development of new detector systems for the CMS experiment at the HL-LHC accelerator at CERN

Abstract

This PhD Thesis concerns high-energy physics studies based on exploration for new signatures of electroweakinos in the context of MSSM (Minimal Supersymmetric Standard Model) and Split SUSY (Split Supersymmetry). The studies are carried out on 138 fb-1 of data with soft leptons and significant Missing Transverse Energy that are collected by the CMS experiment at CERN during the Run 2 period (2016-2018). This work focuses on suppressed phase-spaces, with very small mass-splitting (ΔM = mχ2 − mχ1) between the LSP (Lightest Supersymmetric Particle) and the next heavier particle. Such small Δ introduces several challenges. It requires the reconstruction of very soft leptons, with the analysis excluding Neutralinos (χ2) up to 120 (320) GeV and 100 (230) GeV at ΔΜ of 10 (1) GeV for Binos and Higgsinos respectively, profiting from the latest LowPtElectron reconstruction of the CMS. Also, for Neutralinos that become significantly long-lived, the analysis excludes up to 250-475 GeV and up to 200-350 GeV, depending on the (up to 10 cm), at ΔΜ of 20 GeV for Binos and Higgsinos respectively. Additionally, we present HL-LHC projections of the study to 400 fb-1, 3000 fb-1, and 6000 fb-1, together with 2 more CMS analyses (arxiv:2309.16823 and CMS-SUS-24-012), covering completely the phase-space in the Higgsino interpretation to exclude Higgsinos with mass up to 260 GeV.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή αφορά μελέτες στη φυσική υψηλών ενεργειών, με επίκεντρο την αναζήτηση νέων υπογραφών υπερσυμμετρικών φερμιονίων ηλεκτρασθενούς αλληλεπίδρασης (electroweakinos) στο πλαίσιο του Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) και του Split SUSY (Split Supersymmetry). Οι μελέτες βασίζονται σε σύνολο δεδομένων 138 fb-1 με ανίχνευση λεπτονίων χαμηλής εγκάρσιας ορμής και σημαντικής ελλείπουσας εγκάρσιας ενέργειας, τα οποία συλλέχθηκαν από το πείραμα CMS του CERN κατά τη διάρκεια της περιόδου Run 2 (2016-2018). Η εργασία εστιάζει σε φασικούς χώρους με πολύ μικρή διαφορά μάζας (ΔM = mχ2 − mχ1) μεταξύ του ελαφρύτερου υπερσυμμετρικού σωματιδίου (LSP) και του επόμενου βαρύτερου. Η μικρή αυτή διαφορά ΔM δημιουργεί προκλήσεις: απαιτείται η ανακατασκευή λεπτονίων ιδιαίτερης χαμηλής ορμής, με την ανάλυση να αποκλείοντας Neutralinos (χ2) μέχρι 120 (320) GeV και 100 (230) GeV σε ΔΜ=10(1) GeV για Binos και Higgsinos αντίστοιχα, εκμεταλλευόμενη την καινούργια μέθοδο ανακατασκευής LowPtElectron του CMS. Επίσης, για Neutralinos τα οποία είναι σημαντικά μακρόβια, η ανάλυση αποκλείει μάζες μέχρι 250-475 GeV και μέχρι 200-350 GeV, ανάλογα την ιδιομήκης απόσταση διάσπασης (μέχρι 10 cm), σε ΔΜ=20 GeV για Binos και Higgsinos αντίστοιχα. Επιπλέον, παρουσιάζονται προβλέψεις με την συγκεκριμένη ανάλυση για το HL-LHC με φωτεινότητα 400 fb-1, 3000 fb-1 και 6000 fb-1, μαζί με δύο ακόμη αναλύσεις του CMS (arxiv:2309.16823 και CMS-SUS-24-012), καλύπτοντας πλήρως τον φασικό χώρο για την ερμηνεία των αποτελεσμάτων στα Higgsinos αποκλείοντας μάζες έως και 260 GeV.