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Searches for direct pair production of scalar tau leptons in events with two hadronically decaying tau leptons with the ATLAS detector in LHC run 2
Searches for direct pair production of scalar tau leptons in events with two hadronically decaying tau leptons with the ATLAS detector in LHC run 2
The Standard Model of particle physics has so far not been contradicted by evidence from experiments. There are, however, several indications that a more fundamental underlying theory is necessary at higher energy scales. At the Large Hadron Collider the possible presence of new physics can be probed in proton-proton collisions at an unprecedented center-of-mass energy of 13 TeV. Some of the most promising extensions to the Standard Model are suggested by supersymmetric models, which predict an entirely new particle spectrum connected to the Standard Model particle content via a fermion-boson symmetry. In this thesis, two approaches for the search for the supersymmetric partner particle to the Standard Model τ -lepton (stau or τ ̃) with 139 fb−1 of data taken by the ATLAS detector at the LHC are presented. The considered collision events should contain two hadronically decaying τ -leptons and missing transverse momentum. The first approach is an analysis based on cuts on kinematic variables, which – in the absence of a supersymmetric signal in data – could exclude stau masses between 120 GeV and 390 GeV at 95% CL for a nearly massless lightest supersymmetric particle (LSP). It was also possible to exclude pair production of the supersymmetric partner of the left-handed τ -lepton ( ̃τL ) for stau masses between 155 GeV and 310 GeV at 95% CL. For the supersymmetric partner of the right-handed τ -lepton it was not possible to reach exclusion sensitivity separately from τ ̃ L production. The second search aims to improve the sensitivity of the first iteration of the analysis by using boosted decision trees and a shape fit. The expected exclusion sensitivity ranges from stau masses of 80 GeV to 430 GeV for the combined scenarios of τ ̃ L and τ ̃ R production. For the separate τ ̃ L pair production, the expected exclusion range covers stau masses from 100 GeV to 350 GeV. Furthermore, for a range of stau masses between 120 GeV and 230 GeV exclusion sensitivity could also be achieved for separate τ ̃ R pair production., Bis heute konnte aus experimentellen Befunden kein Widerspruch zum Standardmodell der Teilchenphysik abgeleitet werden. Es gibt jedoch einige Hinweise für die Existenz einer fundamentaleren zugrundeliegenden Theorie bei höheren Energieskalen. Am Large Hadron Collider kann das mögliche Auftreten von neuer Physik in Proton-Proton Kollisionen bei zuvor unerreichten Schwerpunktsenergien von derzeit 13 TeV erforscht werden. Einige der vielversprechendsten Erweiterungen des Standardmodells sind supersymmetrische Modelle, die ein gänzlich neues Spektrum von Teilchen vorhersagen. Diese werden durch eine Symmetrie von Fermionen und Bosonen mit den Teilchen des Standardmodells in Verbindung gebracht. In dieser Dissertation werden zwei Ansätze für die Suche nach dem supersymmetrischen Partnerteilchen des τ -Leptons im Standardmodell (Stau oder τ ̃) mit 139 fb−1 an Daten vorgestellt, die durch den ATLAS-Detektor am LHC aufgezeichnet wurden. Die selektierten Kollisionsereignisse beinhalten zwei hadronisch zerfallende τ -Leptonen, sowie fehlenden transversalen Impuls. Der erste Ansatz besteht in einer Analyse, die auf Schnitten auf kinematische Variablen basiert. Im Zuge dieser Analyse konnten – in Abwesenheit eines signifikanten Überschusses in den Daten – Staumassen zwischen 120 GeV und 390 GeV mit einem beinahe masselosen leichtesten supersymmetrischen Teilchen (LSP) bei 95% Konfidenzniveau ausgeschlossen werden. Des Weiteren war es möglich, die Paarproduktion des supersymmetrischen Partners des linkshändigen τ -Leptons ( ̃τL ) gesondert im Staumassen-Bereich von 155 GeV bis 310 GeV auf einem Konfidenzniveau von 95% auszuschließen. Für den supersymmetrischen Partner des rechtshändigen τ -Leptons ( ̃τR ) konnte keine Sensitivität erreicht werden, die einen Ausschluss von Staumassen unabhängig von der Paarproduktion von τ ̃ L -Teilchen ermöglicht hätte. Die zweite Suche hat zum Ziel, die Sensitivität der ersten Analyse zu verbessern, indem Boosted Decision Trees und ein Multi-Bin-Fit verwendet werden. Die erwartete Ausschluss-Sensitivität für Staumassen reicht von 80 GeV bis 430 GeV für die kombinierte τ ̃ L - und τ ̃ R -Paarproduktion. Für die gesonderte Produktion von τ ̃ L-Paaren wird ein Ausschluss von Staumassen zwischen 100 GeV und 350 GeV erwartet. Weiterhin konnte auch für eine Spanne von Staumassen zwischen 120 GeV und 230 GeV für gesonderte τ ̃ R-Produktion eine erwartete Sensitivität erreicht werden, die einen Ausschluss dieser Massen ermöglichen kann.
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Leitgeb, Clara Elisabeth
2020
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Leitgeb, Clara Elisabeth (2020): Searches for direct pair production of scalar tau leptons in events with two hadronically decaying tau leptons with the ATLAS detector in LHC run 2. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

The Standard Model of particle physics has so far not been contradicted by evidence from experiments. There are, however, several indications that a more fundamental underlying theory is necessary at higher energy scales. At the Large Hadron Collider the possible presence of new physics can be probed in proton-proton collisions at an unprecedented center-of-mass energy of 13 TeV. Some of the most promising extensions to the Standard Model are suggested by supersymmetric models, which predict an entirely new particle spectrum connected to the Standard Model particle content via a fermion-boson symmetry. In this thesis, two approaches for the search for the supersymmetric partner particle to the Standard Model τ -lepton (stau or τ ̃) with 139 fb−1 of data taken by the ATLAS detector at the LHC are presented. The considered collision events should contain two hadronically decaying τ -leptons and missing transverse momentum. The first approach is an analysis based on cuts on kinematic variables, which – in the absence of a supersymmetric signal in data – could exclude stau masses between 120 GeV and 390 GeV at 95% CL for a nearly massless lightest supersymmetric particle (LSP). It was also possible to exclude pair production of the supersymmetric partner of the left-handed τ -lepton ( ̃τL ) for stau masses between 155 GeV and 310 GeV at 95% CL. For the supersymmetric partner of the right-handed τ -lepton it was not possible to reach exclusion sensitivity separately from τ ̃ L production. The second search aims to improve the sensitivity of the first iteration of the analysis by using boosted decision trees and a shape fit. The expected exclusion sensitivity ranges from stau masses of 80 GeV to 430 GeV for the combined scenarios of τ ̃ L and τ ̃ R production. For the separate τ ̃ L pair production, the expected exclusion range covers stau masses from 100 GeV to 350 GeV. Furthermore, for a range of stau masses between 120 GeV and 230 GeV exclusion sensitivity could also be achieved for separate τ ̃ R pair production.

Abstract

Bis heute konnte aus experimentellen Befunden kein Widerspruch zum Standardmodell der Teilchenphysik abgeleitet werden. Es gibt jedoch einige Hinweise für die Existenz einer fundamentaleren zugrundeliegenden Theorie bei höheren Energieskalen. Am Large Hadron Collider kann das mögliche Auftreten von neuer Physik in Proton-Proton Kollisionen bei zuvor unerreichten Schwerpunktsenergien von derzeit 13 TeV erforscht werden. Einige der vielversprechendsten Erweiterungen des Standardmodells sind supersymmetrische Modelle, die ein gänzlich neues Spektrum von Teilchen vorhersagen. Diese werden durch eine Symmetrie von Fermionen und Bosonen mit den Teilchen des Standardmodells in Verbindung gebracht. In dieser Dissertation werden zwei Ansätze für die Suche nach dem supersymmetrischen Partnerteilchen des τ -Leptons im Standardmodell (Stau oder τ ̃) mit 139 fb−1 an Daten vorgestellt, die durch den ATLAS-Detektor am LHC aufgezeichnet wurden. Die selektierten Kollisionsereignisse beinhalten zwei hadronisch zerfallende τ -Leptonen, sowie fehlenden transversalen Impuls. Der erste Ansatz besteht in einer Analyse, die auf Schnitten auf kinematische Variablen basiert. Im Zuge dieser Analyse konnten – in Abwesenheit eines signifikanten Überschusses in den Daten – Staumassen zwischen 120 GeV und 390 GeV mit einem beinahe masselosen leichtesten supersymmetrischen Teilchen (LSP) bei 95% Konfidenzniveau ausgeschlossen werden. Des Weiteren war es möglich, die Paarproduktion des supersymmetrischen Partners des linkshändigen τ -Leptons ( ̃τL ) gesondert im Staumassen-Bereich von 155 GeV bis 310 GeV auf einem Konfidenzniveau von 95% auszuschließen. Für den supersymmetrischen Partner des rechtshändigen τ -Leptons ( ̃τR ) konnte keine Sensitivität erreicht werden, die einen Ausschluss von Staumassen unabhängig von der Paarproduktion von τ ̃ L -Teilchen ermöglicht hätte. Die zweite Suche hat zum Ziel, die Sensitivität der ersten Analyse zu verbessern, indem Boosted Decision Trees und ein Multi-Bin-Fit verwendet werden. Die erwartete Ausschluss-Sensitivität für Staumassen reicht von 80 GeV bis 430 GeV für die kombinierte τ ̃ L - und τ ̃ R -Paarproduktion. Für die gesonderte Produktion von τ ̃ L-Paaren wird ein Ausschluss von Staumassen zwischen 100 GeV und 350 GeV erwartet. Weiterhin konnte auch für eine Spanne von Staumassen zwischen 120 GeV und 230 GeV für gesonderte τ ̃ R-Produktion eine erwartete Sensitivität erreicht werden, die einen Ausschluss dieser Massen ermöglichen kann.