Search for Supersymmetry in Hadronic Final States using MT2 in pp

Research Collection
Doctoral Thesis
Search for Supersymmetry in Hadronic Final States using MT2
in pp collisions at √s = 8TeV and Evolution Studies of the CMS
Electromagnetic Calorimeter Endcap Signals
Author(s):
Weber, Hannsjörg A.
Publication Date:
2014
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-010406936
Rights / License:
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ETH Library
DISS. ETH NO. 22428
Search for Supersymmetry in Hadronic Final States
√
using MT2 in pp collisions at s = 8 TeV
and
Evolution Studies of the CMS Electromagnetic
Calorimeter Endcap Signals
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZÜRICH
(Dr. sc. ETH Zürich)
presented by
Hannsjörg Artur Weber
M.Sc. Physics, ETH Zürich
born on August 15th , 1986
citizen of
Germany
accepted on recommendation of
Prof. G. Dissertori
Prof. R. Wallny
examiner
co-examiner
2014
Zusammenfassung
Es hat sich in den letzten Jahrzehnten gezeigt, dass das Standardmodell der Teilchenphysik die
meisten experimentellen Beobachtungen innerhalb der Teilchenphysik präzise beschreibt. Durch
die Entdeckung eines Bosons mit einer Masse von etwa 125 GeV scheint der letzte fehlende Baustein
des Standardmodells, das Higgs-Boson, gefunden.
Trotz diesen Erfolgs werden einige Phänomene durch das Standardmodell unzureichend beschrieben. Um diesen Unzulänglichkeiten zu entgegnen, sind weiterführende Neue Physik-Modelle
entwickelt worden. Ein beliebtes Modell ist Supersymmetrie, welche mehrere Probleme innerhalb
des Standardmodells löst. Supersymmetrie beschreibt eine Erweiterung des Standardsmodell mit
einer Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen: das Spektrum der Elementarteilchen wird
allermindestens verdoppelt.
In der vorliegenden Dissertation wird eine Suche nach Supersymmetrie in hadronischen Endzuständen beschrieben. Die Suche analysiert Daten aus Proton-Proton-Kollisionen, welche bei einer
Schwerpunktsenergie von 8 TeV mit dem Compact Muon Solenoid-Experiment am Large Hadron
Collider aufgezeichnet wurden. Die Datenmenge entspricht einer integrierten Luminosität von
19.5 fb−1 .
In der Suche wird die Variable MT2 verwendet, um Ereignisse aufgrund von Prozessen innerhalb des Standardmodells von Ereignissen des supersymmetrischen Signals zu unterscheiden.
Die Variable MT2 ist eine Verallgemeinerung der transversalen Masse für Ereignisse, welche ein
Teilchenpaar enthalten, bei dem beide Teilchen zumindest in ein messbares und ein nicht nachweisbares Teilchen zerfallen. Durch eine Auswahl an Ereignissen mit hohen Werten von MT2 wird
der Beitrag von Prozessen des Standardmodells verringert, besonders jener durch die reine Produktion mehrerer Jets. Dadurch ist die Sensitivität für Signalereignisse für eine grosse Vielfalt von
supersymmetrischen Modellen erhöht.
Die Signalbereiche in dieser Suche sind durch folgende Kriterien bestimmt: die hadronische
Energie innerhalb des Ereignisses, der Wert von MT2 , sowie die Anzahl von Jets und die Anzahl von Jets, welche als Jets durch Bottom-Quark-Hadronisierung gekennzeichnet wurden. Die
zusammengesetzte Information aus mehreren Signalbereichen ergibt eine hohe Sensitivität für die
Produktion der Partnerteilchen von Gluonen oder Quarks, unabhängig der Quarkart, und für einen
grossen Teilchenmassenbereich.
Die Anzahl Ereignisse aufgrund von Prozessen des Standardmodells werden durch Methoden
abgeschätzt, welche Daten aus Kontrollbereichen, die orthogonal zu den Signalbereichen sind, verwenden. In den Daten wird kein bedeutender Überschuss an Ereignissen gegenüber der Voraussage
der Anzahl von erwarteten Ereignissen aufgrund von Standardmodell-Prozessen beobachtet. Der
Vergleich zwischen dieser Voraussage und der Datenanzahl in den Signalbereichen wird verwendet,
ii
Zusammenfassung
um die Resultate in verschiedenen Modellen der Supersymmetrie zu interpretieren.
Über diese Suche hinaus wird die Möglichkeit einer Suche nach der Paarerzeugung von supersymmetrischen Partnerteilchen des Top-Quarks bewertet. Die Suche verwendet Ereignisse, die
zwei geladene Leptonen enthalten. Mehrere Variablen, welche das Signal vom StandardmodellUntergrund unterscheiden, werden untersucht, darunter Varianten der Variable MT2 und einer
Trennvariable, die auf einer Betrachtung der Ereigniskinematik beruht.
Der zweite Teil dieser Dissertation befasst sich mit zwei Studien, die den Nachrüstungsplan des
Compact Muon Solenoid-Detektors betreffen.
Die erste Studie schätzt die Leistungsfähigkeit der Physikmessung durch die Nachrüstung des
Pixeldetektors, die 2017 geschehen soll, ein. Basierend auf der Ereignisauswahl der sogenannten
MT2 b-Suche nach Supersymmetrie, welche 2011 durchgeführt wurde, liegt der Schwerpunkt dieser
Studie auf der möglichen Verbesserung, Jets als Jets aufgrund Bottom-Quark-Hadronisierung zu
identifizieren. Für das getestete Modell wurde eine Effizienzsteigerung von 20% in der Signalauslese
beobachtet, welche für eine feste Rate, Leichte-Quark- und Gluon-Jets als Bottom-Quark-Jets zu
identifizieren, gilt.
Die letzte Analyse, die in dieser Dissertation vorgestellt wird, untersucht das Langzeitverhalten
der Signale, die im vorwärtsgerichteten Teil des elektromagnetischen Kalorimeters des Compact
Muon Solenoid-Experiments erzeugt werden. Das Kernstück des Kalorimeter sind die Kristalle aus
Bleiwolframat, das sowohl das absorbierende als auch szintillierende Material ist. Das Szintillationslicht wird durch Vakuum-Fototrioden im vorwärtsgerichteten Teil des Kalorimeters ausgelesen.
Die Lichtdurchlässigkeit der Kristalle nimmt unter Bestrahlung ab. Um die Veränderung in
der Lichtdurchlässigkeit zu messen und zu korrigieren, wurde ein Licht-Überwachungssystem im
Kalorimeter eingesetzt.
Mehrere Ursachen, die zur Abnahme der Lichtmessung beitragen, sind bekannt. Das Ziel der
Analyse ist die verschiedenen Beiträge zur Signalveränderung zu entflechten. Um dies zu erreichen,
werden Messungen, die während Qualitätssicherungstests vor der Zusammensetzung des Detektors
durchgeführt wurden, mit den Messungen der Signalveränderungen durch das Überwachungssystem
korreliert. Es werden Beiträge, die von der Pseudorapidität abhängen, ausgesondert: ein Anteil
aufgrund ionisierender Strahlungsschäden der Kristalle, einer aufgrund Schäden an den VakuumFototrioden, sowie ein Anteil aufgrund eines möglichen anwachsenden Schadens an den Kristallen.
Die Ergebnisse dieser Studie können mit Voraussagen, welche auf Labormessungen und TeststrahlenDaten beruhen und in Studien für eine mögliche Detektornachrüstung verwendet werden, verglichen
werden. Der Vergleich weist darauf hin, dass die Beschreibungen durch die Voraussagen zufriedenstellend sind.
Abstract
Over the past decades, the standard model of particle physics has been proven to accurately describe
the vast majority of the experimental observations within particle physics. The discovery of a boson
at a mass of about 125 GeV seems to provide the last missing piece of the standard model, the
Higgs boson.
Despite this success, there are some phenomena, for which the description of the standard model
is insufficient. In order to surmount these shortcomings, new-physics models have been advanced.
One popular model is supersymmetry, which solves several of the deficiencies of the standard
model. Supersymmetry extends the description of the standard model by adding a symmetry
between fermions and bosons: the elementary particle spectrum is at least doubled.
In this dissertation, a search for supersymmetry in fully hadronic final states is presented.
√
The search analyzes proton-proton collision data, collected at s = 8 TeV with the Compact Muon
Solenoid experiment at the Large Hadron Collider. The data correspond to an integrated luminosity
of 19.5 fb−1 .
The search uses the variable MT2 to discriminate between events coming from standard model
processes and signal events. The variable is a generalization of the transverse mass for events
containing two pair-produced particles, where both particles decay at least to one detected and
one undetectable particle. Selecting events with high values of MT2 reduces the contribution from
standard model processes, in particular multijet events, and enhances the sensitivity for signal
events for a large variety of supersymmetric models.
The signal regions of this search are defined by the jet and b-tagged jet multiplicities, the
hadronic energy in the event, and the value of MT2 . The combined information of multiple signal
regions yields a high sensitivity for the production of the partner particles of both gluons and
quarks, regardless of the quark flavor, for a wide range of particle masses.
The event yields in the signal regions stemming from standard model processes are estimated by
prediction methods that use data from control regions orthogonal to the signal regions definition.
No significant excess over the expected numbers of background events is observed. The comparison of data yields and predictions is used to set exclusion limits on various models of supersymmetry.
Beyond this search in hadronic final states, the potential of a search for the pair production of
supersymmetric partners of the top quark is assessed using events containing two charged leptons.
Several signal discriminating variables have been tested, such as variants of the MT2 variable or a
discriminant based on the examination of the event kinematics.
The second part of this dissertation contains two studies related to the upgrade program of the
iv
Abstract
Compact Muon Solenoid detector.
The physics performance of the pixel detector upgrade, which is foreseen to happen in 2017,
is evaluated in the first study. Based on the event selection of the so-called MT2 b search for supersymmetry, performed in 2011, the focus of the study is the improvement of identifying jets,
which originate from bottom quark hadronization. For the tested model, an increase of 20% in the
signal selection efficiency is observed for a fixed rate of misidentifying light-quark or gluon jets as
bottom-quark jets.
In the final study presented in this dissertation, the long-term evolution of signals produced in
the forward part of the electromagnetic calorimeter of the Compact Muon Solenoid experiment is
analyzed. The lead-tungstate crystals, which act both as absorber and scintillator, are the heart
of the calorimeter. The scintillation light is read out by vacuum phototriodes in the forward part
of the detector.
The transparency of the crystals decreases under radiation. In order to measure and correct for
these transparency changes, a light monitoring system has been installed within the calorimeter.
Several sources are known to contribute to the transparency decrease. The goal of this study
is to disentangle various contributions to the signal change. In order to achieve this, measurements, performed during quality assurance tests prior to the construction of the detector, are
correlated with signal changes observed in monitoring data during proton-proton collision data
taking. Pseudorapidity-dependent contributions are singled out: ionizing damages to crystals,
damages to the vacuum phototriodes, and possible cumulative damages to crystals. The results of
this study are compared with predictions, which are based on laboratory and testbeam results and
are used in studies for possible detector upgrades. The comparison indicates that the modeling of
the predictions is satisfactory.