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Search for charginos and neutralinos in a signature with a Higgs boson and an isolated lepton with the ATLAS detector and its reinterpretation in the phenomenological MSSM
Search for charginos and neutralinos in a signature with a Higgs boson and an isolated lepton with the ATLAS detector and its reinterpretation in the phenomenological MSSM
Obwohl das Standardmodell der Teilchenphysik eine außerordentlich erfolgreiche Theorie darstellt, deuten einige Beobachtungen auf die Existenz neuer Physik jenseits dessen was im Rahmen des Standardmodells erklärt werden kann hin. Supersymmetrie ist der Oberbegriff für eine Klasse von Theorien, die einige der offenen Fragen des Standardmodells erklären könnten. Sie sagt die Existenz von supersymmetrischen Partnern für jedes Teilchen des Standardmodells voraus und könnte, unter anderem, einen Teilchenkandidaten für Dunkle Materie liefern. Diese Arbeit stellt eine Suche nach supersymmetrischen Teilchen, die über die elektroschwache Wechselwirkung paarproduziert werden, vor. Endzustände mit einem Lepton, fehlender Transversalenergie und einem Higgs Boson, welches in zwei b-Quarks zerfällt, werden untersucht. Insgesamt werden 139fb⁻¹ an Daten aus Proton-Proton Kollisionen berücksichtigt, welche mit dem ATLAS Detektor bei einer Schwerpunktsenergie von √s = 13 TeV im Run 2 des Large Hadron Colliders aufgezeichnet wurden. Ein, auf einer Likelihood-Methode basierender, simultaner Fit in allen Suchregionen wird verwendet, um hohe Sensitivität zu möglichst vielen kinematischen Bereichen im untersuchten Parameterraum zu gewährleisten. In den Daten wird keine signifikante Abweichung von den Standardmodellvorhersagen beobachtet, weshalb die Ergebnisse in einem vereinfachten Modell für Paarproduktion der supersymmetrischen Partner des Higgs-Bosons und der Eichbosonen interpretiert werden. Für leichteste Neutralinos mit Massen von ≲ 100 GeV (≈ 250 GeV), können leichteste Charginos und zweitleichteste Neutralinos mit Massen von bis zu 740 GeV (600 GeV) ausgeschlossen werden. Da heutige Teilchenphysik-Experimente aufgrund ihrer Komplexität und Größenordnung nicht trivial reproduzierbar sind, gleichzeitig aber eine Vielzahl an Modellen für Physik jenseits des Standardmodells existiert, wird ein besonderes Augenmerk auf die technische Durchführbarkeit einer Neuinterpretation der Suche gelegt. Die volle Likelihood-Funktion der Suche wurde veröffentlicht und eine vollständig reproduzierbare Umsetzung der Suche anhand Container-Technologie und parametrisierter Job-Vorlagen wird diskutiert. Mit Hinblick auf rechenintensive Neuinterpretationen in hoch-dimensionalen Parameterräumen wird eine Methode eingeführt, um die Likelihood-Funktionen von ATLAS Suchen nach Supersymmetrie zu nähern. Mit Hilfe dieser Methode wird schlussendlich eine Neuinterpretation der Suche in einem Unterraum einer 19-dimensionalen Menge von vollständigeren supersymmetrischen Modellen durchgeführt und deren Ergebnisse diskutiert., Despite the success of the Standard Model of particle physics, a number of hints suggest the existence of new physics beyond the scope of phenomena that can be explained in the theoretical framework of the Standard Model. One class of theories that could be able to explain some of the open questions of the Standard Model is Supersymmetry. It introduces supersymmetric partners to each of the Standard Model particles, and could, for example, provide a candidate for Dark Matter. This thesis presents a search for electroweak production of supersymmetric particles in events with a lepton, missing transverse momentum and a Higgs boson decaying into two b-quarks. The search analyses 139 fb−1 of proton–proton collision data at a centre-of-mass energy of √s = 13 TeV, recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. A likelihood-based simultaneous fit in all search regions is introduced in order to achieve sensitivity to a large variety of kinematic regimes. No significant deviation from the Standard Model predictions is seen in data in any of the search regions. The results are subsequently interpreted in a simplified model for pair production of the supersymmetric partners of the Higgs and gauge bosons. Lightest chargino and next-tolightest neutralino masses of 740 GeV (600 GeV) can be excluded for lightest neutralino masses of ≲ 100 GeV (≈ 250 GeV). Given that the particle physics experiments at the Large Hadron Collider are not easily reproducible, and a large number of phenomenologically viable models for physics beyond the Standard Model exist, special focus is put on the reusability and reinterpretability of the search. The full likelihood function of the search is published in a readily available format, and a fully reusable implementation of the search using containerised workflows with parameterised job templates is provided. In light of conceptually interesting but computationally challenging reinterpretations in high-dimensional model spaces, a method for generically approximating the likelihood functions of ATLAS searches for Supersymmetry is introduced and validated. Using this approach, a reinterpretation of the search in a subspace of a 19-dimensional set of more complete supersymmetric models is performed and its results are discussed.
particle physics, supersymmetry, ATLAS, CERN, LHC, experiment, pMSSM, reinterpretation, electroweakino, chargino, neutralino
Schanet, Eric
2021
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Schanet, Eric (2021): Search for charginos and neutralinos in a signature with a Higgs boson and an isolated lepton with the ATLAS detector and its reinterpretation in the phenomenological MSSM. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Obwohl das Standardmodell der Teilchenphysik eine außerordentlich erfolgreiche Theorie darstellt, deuten einige Beobachtungen auf die Existenz neuer Physik jenseits dessen was im Rahmen des Standardmodells erklärt werden kann hin. Supersymmetrie ist der Oberbegriff für eine Klasse von Theorien, die einige der offenen Fragen des Standardmodells erklären könnten. Sie sagt die Existenz von supersymmetrischen Partnern für jedes Teilchen des Standardmodells voraus und könnte, unter anderem, einen Teilchenkandidaten für Dunkle Materie liefern. Diese Arbeit stellt eine Suche nach supersymmetrischen Teilchen, die über die elektroschwache Wechselwirkung paarproduziert werden, vor. Endzustände mit einem Lepton, fehlender Transversalenergie und einem Higgs Boson, welches in zwei b-Quarks zerfällt, werden untersucht. Insgesamt werden 139fb⁻¹ an Daten aus Proton-Proton Kollisionen berücksichtigt, welche mit dem ATLAS Detektor bei einer Schwerpunktsenergie von √s = 13 TeV im Run 2 des Large Hadron Colliders aufgezeichnet wurden. Ein, auf einer Likelihood-Methode basierender, simultaner Fit in allen Suchregionen wird verwendet, um hohe Sensitivität zu möglichst vielen kinematischen Bereichen im untersuchten Parameterraum zu gewährleisten. In den Daten wird keine signifikante Abweichung von den Standardmodellvorhersagen beobachtet, weshalb die Ergebnisse in einem vereinfachten Modell für Paarproduktion der supersymmetrischen Partner des Higgs-Bosons und der Eichbosonen interpretiert werden. Für leichteste Neutralinos mit Massen von ≲ 100 GeV (≈ 250 GeV), können leichteste Charginos und zweitleichteste Neutralinos mit Massen von bis zu 740 GeV (600 GeV) ausgeschlossen werden. Da heutige Teilchenphysik-Experimente aufgrund ihrer Komplexität und Größenordnung nicht trivial reproduzierbar sind, gleichzeitig aber eine Vielzahl an Modellen für Physik jenseits des Standardmodells existiert, wird ein besonderes Augenmerk auf die technische Durchführbarkeit einer Neuinterpretation der Suche gelegt. Die volle Likelihood-Funktion der Suche wurde veröffentlicht und eine vollständig reproduzierbare Umsetzung der Suche anhand Container-Technologie und parametrisierter Job-Vorlagen wird diskutiert. Mit Hinblick auf rechenintensive Neuinterpretationen in hoch-dimensionalen Parameterräumen wird eine Methode eingeführt, um die Likelihood-Funktionen von ATLAS Suchen nach Supersymmetrie zu nähern. Mit Hilfe dieser Methode wird schlussendlich eine Neuinterpretation der Suche in einem Unterraum einer 19-dimensionalen Menge von vollständigeren supersymmetrischen Modellen durchgeführt und deren Ergebnisse diskutiert.

Abstract

Despite the success of the Standard Model of particle physics, a number of hints suggest the existence of new physics beyond the scope of phenomena that can be explained in the theoretical framework of the Standard Model. One class of theories that could be able to explain some of the open questions of the Standard Model is Supersymmetry. It introduces supersymmetric partners to each of the Standard Model particles, and could, for example, provide a candidate for Dark Matter. This thesis presents a search for electroweak production of supersymmetric particles in events with a lepton, missing transverse momentum and a Higgs boson decaying into two b-quarks. The search analyses 139 fb−1 of proton–proton collision data at a centre-of-mass energy of √s = 13 TeV, recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. A likelihood-based simultaneous fit in all search regions is introduced in order to achieve sensitivity to a large variety of kinematic regimes. No significant deviation from the Standard Model predictions is seen in data in any of the search regions. The results are subsequently interpreted in a simplified model for pair production of the supersymmetric partners of the Higgs and gauge bosons. Lightest chargino and next-tolightest neutralino masses of 740 GeV (600 GeV) can be excluded for lightest neutralino masses of ≲ 100 GeV (≈ 250 GeV). Given that the particle physics experiments at the Large Hadron Collider are not easily reproducible, and a large number of phenomenologically viable models for physics beyond the Standard Model exist, special focus is put on the reusability and reinterpretability of the search. The full likelihood function of the search is published in a readily available format, and a fully reusable implementation of the search using containerised workflows with parameterised job templates is provided. In light of conceptually interesting but computationally challenging reinterpretations in high-dimensional model spaces, a method for generically approximating the likelihood functions of ATLAS searches for Supersymmetry is introduced and validated. Using this approach, a reinterpretation of the search in a subspace of a 19-dimensional set of more complete supersymmetric models is performed and its results are discussed.