Search for new physics in multijet final states with the CMS experiment at the CERN LHC

Abstract

A search for resonant production of pairs of dijet resonances with the same mass is conducted for the first time at the LHC and presented in this thesis, with both the four-jet and dijet resonances assumed to be beyond the Standard Model. The analysis targets events with four resolved jets, requiring dijet invariant masses greater than 0.2 TeV, four-jet invariant masses greater than 1.6 TeV, and four-jet resonance widths ranging from below 0.5 to 10% of their mass. The search uses a data sample corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1 collected by the CMS detector in proton-proton collisions at √s = 13 TeV. As benchmark models, we consider scalar diquark particles that decay into pairs of vector-like quarks, which subsequently decay into a gluon and an up or down quark. Model-independent limits at 95% confidence level and significances are reported on the production cross section of new resonances as functions of their widths for masses between 2 and 10 TeV, as well as mass exclusion limits on diquark particles. There are three isolated events in the tails of the distributions, each with an average dijet mass around 2 TeV. Two of them have a four-jet mass of approximately 8 TeV, while the third has a four-jet mass of 5.8 TeV. These events result in an excess, with the local (global) significance ranging from 3.9 (1.6) to 3.6 (1.4) standard deviations (s.d.) as the resonance width increases from below 0.5 to 10%. If interpreted as a signal, this relative insensitivity to the width indicates that both narrow and broad resonances are equally valid interpretations of this excess. Furthermore, we report a second effect, at a four-jet (dijet) resonance mass of 3.6 (1.0) TeV, with a local (global) significance that increases from 2.9 (0.1) to 3.9 (2.2) s.d. as the width increases from below 0.5 to 10%. Prior to discussing this analysis, the theoretical framework of both the Standard Model and the diquark models is outlined, followed by the experimental setup of the CMS detector, and an overview of hadronic jets in CMS. A physics object analysis on jet energy corrections derived from simulated datasets is also presented. These corrections first remove the excess energy clustered within the jet cone due to additional proton-proton interactions within the same or adjacent bunch crossings, and then equate the reconstructed jet transverse momentum to its corresponding generated-level value.

Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιείται για πρώτη φορά στον LHC μια αναζήτηση συντονισμών πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου που διασπώνται σε ζεύγη συντονισμών δύο αδρονικών πιδάκων ίδιας μάζας, επίσης πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου. Η ανάλυση στοχεύει σε γεγονότα με τέσσερις διαχωρισμένους αδρονικούς πίδακες, απαιτώντας αναλλοίωτες μάζες των ζευγών αδρονικών πιδάκων μεγαλύτερες από 0.2 TeV, αναλλοίωτες μάζες των τεσσάρων πιδάκων μεγαλύτερες από 1.6 TeV, και φυσικό πλάτος του συντονισμού τεσσάρων πιδάκων κυμαινόμενο από κάτω του 0.5 έως και 10% της μάζας του. Η ανάλυση βασίζεται σε δεδομένα από συγκρούσεις πρωτονίων σε ενέργεια κέντρου μάζας √s = 13 TeV, που καταγράφηκαν από τον ανιχνευτή CMS και αντιστοιχούν σε φωτεινότητα ίση με 138 fb−1 . Ως σήματα αναφοράς θεωρούνται τα diquark σωματίδια, τα οποία διασπώνται σε ζεύγη από vector-like κουάρκς, το καθένα εκ των οποίων διασπάται σε ένα γκλουόνιο και ένα up ή down κουάρκ. Στο πλαίσιο του μοντέλου αυτού θέτουμε όρια στη μάζα των diquark σωματιδίων, ενώ παράλληλα θέτουμε άνω όρια σε 95% επίπεδο εμπιστοσύνης στην ενεργό διατομή και παρουσιάζουμε την σημαντικότητα για οποιαδήποτε σήματα νέας φυσικής με παρόμοια πειραματική υπογραφή, ως συνάρτηση του φυσικού πλάτους τους και για μάζες μεταξύ 2 και 10 TeV. Στις ουρές των κατανομών μάζας στα δεδομένα του CMS έχουν καταγραφεί τρία απομονωμένα γεγονότα, όλα με μέση τιμή της αναλλοίωτης μάζας των ζευγών ίση με περίπου 2 TeV. Η αναλλοίωτη μάζα των τεσσάρων αδρονικών πιδάκων είναι περίπου 8 TeV για δύο από αυτά τα γεγονότα, και 5.8 TeV για το τρίτο. Τα γεγονότα αυτά συνεπάγονται τοπική (γενική) σημαντικότητα που κυμαίνεται από 3.9 (1.6) έως 3.6 (1.4) τυπικές αποκλίσεις όταν το φυσικό πλάτος του συντονισμού τεσσάρων πιδάκων αυξάνεται από κάτω του 0.5 σε 10%. Εάν τα γεγονότα αυτά ερμηνευθούν ως σήμα νέας φυσικής, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τόσο ένας στενός όσο και ένας ευρύς συντονισμός είναι εξίσου συμβατοί με τα δεδομένα. Επιπρόσθετα, παρουσιάζουμε ένα δεύτερο φαινόμενο σε μάζα συντονισμού για τους τέσσερις (δύο) πίδακες ίση με 3.6 (1.0) TeV, το οποίο έχει τοπική (γενική) σημαντικότητα που αυξάνεται από 2.9 (0.1) σε 3.9 (2.2) τυπικές αποκλίσεις όταν το φυσικό πλάτος του συντονισμού τεσσάρων πιδάκων αυξάνεται από κάτω του 0.5 σε 10%. Πριν περιγραφεί αυτή η ανάλυση, θα συζητηθεί το θεωρητικό υπόβαθρο του Καθιερωμένου Προτύπου και των diquark μοντέλων, ακολουθούμενα από μια παρουσίαση της πειραματικής διάταξης του ανιχνευτή CMS και βασικών χαρακτηριστικών για τους αδρονικούς πίδακες που χρησιμοποιούνται στο πείραμα. Επιπρόσθετα, θα παρουσιαστεί μια ανάλυση αντικειμένων φυσικής που αφορά στις διορθώσεις ενέργειας τωναδρονικών πιδάκων, οι οποίες παράγονται μελετώντας προσομοιωμένα δεδομένα. Οι διορθώσεις αυτές αφαιρούν σε πρώτο επίπεδο την περίσσεια ενέργεια που προέρχεται από δευτερογενείς αλληλεπιδράσεις, και μετέπειτα εξισώνουν την ανακατασκευασμένη εγκάρσια ορμή των αδρονικών πιδάκων με την πραγματική στο επίπεδο του γεννήτορα.