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Bock, Christopher (2016): Search for supersymmetry in final states containing two hadronically decaying taus with the ATLAS detector at √(s) = 8 and 13 TeV. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

In dieser Arbeit werden zwei Analysen vorgestellt die sich mit der Suche nach supersymmetrischen Teilchen in Proton-Proton Kollisionen auseinander setzen. Im Endzustand werden in beiden Analysen mindestens zwei hadronisch zerfallende Taus, sowie fehlende transversale Energie erwartet. Die genutzten Daten wurden mit dem ATLAS Detektor am LHC aufgenommen. Zwei Datensätze werden analysiert, der eine wurde bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV im Jahr 2012 aufgezeichnet, der andere bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV im Jahr 2015. Die erste Analyse nutzt den bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV aufgezeichneten Datensatz. Er umfasst Daten entsprechend einer integrierten Luminosität von 20.3 fb−1. Gesucht wird nach supersymmetrischen Teilchen die über die elektroschwache Wechselwirkung produziert werden und anschließend in Endzustände mit mindestens zwei hadronisch zerfallenden Taus, fehlender transversaler Energie und wenig bis garkeine Jets zerfallen. Spezielles Augenmerk wird auf die Validierung des Di-Boson Untergrunds, die Kombination des Kanals in dem beide Taus hadronisch zerfallen mit dem in dem eines leptonisch zerfällt, sowie auf eine Abschätzung der Sensitivität der Analyse bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV gelegt. Da, verglichen mit der Erwartung aus Abschätzungen aus dem Standard Modell, kein Überschuss an Ereignissen gefunden wurde, werden mithilfe der CLs-Methode neue Grenzen auf den untersuchten Prozess gesetzt. Modellunabhängig kann ein sichtbarer Wirkungsquerschnitt größer als 0.37 fb ausgeschlossen werden. Modellabhängige Ausschlussgrenzen werden für drei Szenarien des phänomenologisch motivierten minimalen supersymmetrischen Standardmodells (pMSSM), sowie zwei vereinfachte Modelle berechnet. In einem der vereinfachten Modelle werden Charginos in Paaren produziert und zerfallen über Staus oder Tau-Sneutrinos in Neutrinos, Taus und das leichteste Neutralino. Im anderen vereinfachten Modell wird ein Chargino zusammen mit dem nächstleichtesten Neutralino produziert und zerfällt, genau wie im anderen vereinfachten Modell, über Staus oder Tau-Sneutrinos in Neutrinos, Taus und das leichteste Neutralino. Eines der untersuchten pMSSM Szenarien ist so gewählt, dass vorwiegend Paare von Staus produziert werden die wiederum in Taus zerfallen. Die anderen beiden pMSSM Szenarien sind so ausgewählt, dass vorwiegend die drei zuvor genannten Prozesse miteinander konkurrieren, die Paarproduktion von Charginos, die assoziierte Produktion eines Charginos mit einem nächstleichtesten Neutralino, sowie die Paarproduktion von Staus. In einem der Modelle ist die Masse des Staus fix, im anderen wird sie auf die Hälfte der Summe der Massen des leichtesten Neutralinos und des leichtesten Charginos gesetzt. Betrachtet man die beiden Produktionskanäle der vereinfachten Modelle gemeinsam, so kann man chi_1^± / chi_1^0 Massen bis zu 410/140 GeV ausschliessen. Betrachtet man nur die Paarproduktion von Charginos, so kann man chi_1^± / chi_1^0 Massen bis zu 345/90 GeV ausschliessen. Im Fall des pMSSM Modells in dem vorwiegend Paare von Staus produziert werden ist die vorgestellte Analyse auf große Teile des Phasenraumes noch nicht sensitiv, da der Wirkungsquerschnitt fü r die Paarproduktion von Staus zu klein ist. In den verbleibenden beiden pMSSM Modellen können vergleichbare Ausschlussgrenzen auf die Masse des leichtesten Charginos gesetzt werden: ein Bereich von 100 GeV bis 350 GeV kann ausgeschlossen werden. Die zweite Analyse verwendet den bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV im Jahr 2015 aufgezeichneten Datensatz. Er umfasst Daten entsprechend einer integrierten Luminosität von 3.2 fb−1. Es wird nach supersymmetrischen Teilchen gesucht, die über die starke Wechselwirkung produziert werden und in Endzustände zerfallen die sich durch mindestens zwei hadronisch zerfallende Taus, fehlende transversale Energie und, im Gegensatz zur ersten Analyse, Jets auszeichnen. Der Schwerpunkt der Analyse liegt dabei auf der Entwicklung einer Signalregion die speziell auf komprimierte Massenspektren sensitiv ist, sowie der Abschätzung des Untergrunds aus Multi-Jet Ereignissen. Verglichen mit einer Abschätzung aus dem Standard Modell konnte kein Überschuss an Ereignissen festgestellt werden. Deswegen werden Ausschlussgrenzen auf den untersuchten Prozess mithilfe der CLs-Methode berechnet. Modellunabhängig kann ein Wirkungsquerschnitt von 1.07 fb ausgeschlossen werden. Modellabhängige Ausschlussgrenzen werden für ein vereinfachtes Modell, sowie ein gauge-mediated-symmetrybreaking, GMSB, Modell berechnet. Im vereinfachten Modell werden Gluinos in Paaren produziert und zerfallen danach asymmetrisch über ein leichtestes Chargino und ein nächstleichtestes Neutralino. Diese zerfallen wiederum über Staus und ihre Sneutrinos in Endzustände die Neutralinos, Jets, Taus und Netrinos enthalten. Im GMSB Modell werden außerdem Squarks in Paaren produziert und zerfallen via Neutralinos und Staus oder Sleptonen in Endzustände die sich durch Quarks und bis zu vier Taus auszeichnen. Weitere Prozesse sind im GMSB Modell möglich, aber der Wirkungsquerschnitt ist für diese vernachlässigbar. Gluino Massen bis zu 1550 GeV können im vereinfachten Modell ausgeschlossen werden, während Massen des leichtesten Neutralinos bis zu 750 GeV ausgeschlossen werden können. Für das GMSB Modell können sogar Gluino Massen bis 2.2 TeV ausgeschlossen werden für große Werte von tan beta, während für kleinere Werte immerhin noch Gluino Massen bis 2.0 TeV ausgeschlossen werden können.

Abstract

Two analyses will be presented searching for the production of supersymmetric particles decaying into final states containing at least two hadronically decaying taus and missing transverse energy in proton-proton collisions. The collisions were recorded by the ATLAS experiment at the LHC. Two different datasets are analyzed, one recorded at a center-of-mass energy of 8 TeV in 2012 and one recorded at a center-of-mass energy of 13 TeV in 2015. The first analysis is performed using data collected at a center-of-mass energy of 8 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 20.3 fb−1. The electroweak production of supersymmetric particles which decay into final states containing at least two hadronically decaying taus, missing transverse energy, as well as few to no jets, is studied. Particular attention is paid to the validation of the diboson background, the combination with the channel where one of the two taus decays hadronically and the other one leptonically, as well as the estimate of the sensitivity of the analysis at sqrt(s) = 13 TeV. No excess over the Standard Model expectation is found, thus limits are set using the CLs method. Model independent limits on the cross section are computed, the observed upper limit on the visible cross section is 0.37 fb. Model dependent limits are computed for three different pMSSM scenarios as well as two simplified models. One of the simplified models is characterized by chargino pair production, decaying via intermediate staus or tau sneutrinos into neutrinos, taus and the lightest neutralino. The other simplified model is characterized by the associated production of a lightest chargino and a next-to-lightest neutralino, also decaying via intermediate staus into taus, neutrinos and the lightest neutralino. The parameters of one of the pMSSM models are chosen such that the dominant process is the direct pair production of staus decaying into taus. The parameters of the other two pMSSM models are chosen such that the three processes compete. For one of the pMSSM models the stau mass is chosen to be fixed, while for the other it is chosen to be halfway between the chi_1^± and chi_1^0 mass. In the case of simultaneous chi_1^±chi_1^± and chi_1^±chi_1^0 production, chi_1^± / chi_1^0 masses of up to 410/140 GeV and in the case of chi_1^± pair production alone, chi_1^± / chi_1^0 masses of up to 345/90 GeV can be excluded. The presented analysis is not yet sensitive to large parts of the phase-space of the pMSSM model targeting direct-stau pair production, because the cross section is too small. In the other two pMSSM parameter planes, similar lightest chargino mass ranges can be excluded, namely approximately 100 GeV − 350 GeV. The second analysis makes uses of data collected throughout 2015 at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 3.2 fb−1. The strong production of supersymmetric particles is studied which decay into final states containing at least two hadronically decaying taus, missing transverse energy, as well as jets. The focus of the analysis is on the development of the signal region targeting low mass-splittings and the estimate of the multi-jet contribution to the signal, as well as control regions. Again, no excess over the Standard Model expectation is found and thus limits are set using the CLs method. The obtained model independent observed upper limit on the visible cross section is 1.07 fb. Model dependent limits are interpreted in two models: a simplified model of gluino pair production, subsequently decaying asymmetrically via a lightest chargino and a next-to-lightest neutralino which decay via staus or tau sneutrinos into final states containing lightest neutralinos, jets, taus as well as tau neutrinos; and a gauge-mediated-symmetry-breaking, GMSB, model where, in addition to the previous process, squarks are produced in pairs and decay via intermediate neutralinos and staus/sleptons into a pair of quarks and up to four taus. Other processes are possible as well in the GMSB modell, but they are sub-dominant for most of the studied phase-space. In the first model gluino masses up to 1550 GeV can be excluded while masses of the lightest neutralino up to 750 GeV can be excluded. In case of the GMSB model gluino masses up to 2.2 TeV can be excluded for large values of tan beta, while for lower values only gluino masses up to 2.0 TeV can be excluded.