Search for Supersymmetry through the 3-lepton and large missing transverse momentum process with the ATLAS detector at CERN

Abstract

Η Υπερσυμμετρία είναι μια από τις πλέον διαδεδομένες θεωρίες που θα μπορούσε να δώσει λύση στις ελλείψεις του Καθιερωμένου Προτύπου (ΚΠ), όπως το πρόβλημα της ιεραρχίας, αλλά και να εξηγήσει φαινόμενα όπως η σκοτεινή ύλη. Η διατριβή αύτη παρουσιάζει δυο διαφορετικές αναλύσεις για αναζήτηση της Υπερσυμμετρίας μέσω της ηλεκτρασθενούς παραγωγής των σωματιδίων chargino και neutralino τα οποία διασπώνται σε τρία λεπτόνια (ηλεκτρόνια ή μιόνια) και μεγάλη χαμένη εγκάρσια ενέργεια. Η πρώτη ανάλυση στοχεύει στην μελέτη μεγάλης διαφοράς μαζών μεταξύ του ελαφρύτερου και δεύτερου ελαφρύτερου neutralino, η οποία αναφέρεται ως “ευρεία περιοχή” (bulk region), ενώ η δεύτερη ανάλυση στοχεύει στη μελέτη μικρής διαφοράς μαζών, αναφερόμενη ως “συμπιεσμένη περιοχή” (compressed spectra). Τα αποτελέσματα των μελετών δεν έδειξαν σημαντική περίσσεια δεδομένων πέραν του ΚΠ, όμως τέθηκαν περιοχές αποκλεισμού στις μάζες των Υπερσυμμετρικών σωματιδίων. Πιο συγκεκριμένα, όσον αφορά τις μελέτες στην ευρεία περιοχή, προεκτείνοντας την ευαισθησία των σημειακών μαζών έτσι ώστε να καλυφθεί όλη η περιοχή διάσπασης μέσω WZ, επεκτάθηκε η περιοχή αποκλεισμού της μάζας του chargino σε 387 GeV, από 350 GeV που ήταν προηγουμένως, για μικρές μάζες του δεύτερου ελαφρύτερου neutralino. Από την άλλη πλευρά, στη μελέτη στην συμπιεσμένη περιοχή, σημειακές μάζες chargino έως τα 280 GeV αποκλείστηκαν για διασπάσεις μέσω υπερσυμμετρικών λεπτονίων (sleptons). Όσον αφορά τη διάσπαση μέσω WZ στην ανάλυση αυτή, ένας περιορσμένος αριθμός σημειακών μαζών chargino αποκλείστηκε, συνεπώς τέθηκαν όρια σε μονοδιάστατο πίνακα. Στα πλαίσια της μελλοντικής βελτίωσης των συνθηκών στην αναζήτηση νέας φυσικής, κάποιες επιπλέον μελέτες έλαβαν χώρα στη διατριβή αυτή. Αυτές οι μελέτες αφορούσαν τους ανιχνευτές αερίου MicroMEGAS, οι οποίοι θα εγκατασταθούν ως μέρος του New Small Wheel στον ATLAS το 2019 (αναβάθμιση Phase-I). Στο πλαίσιο αυτό επιτευχθήσαν σημαντικές συνεισφορές στην κατανόηση της συμπεριφοράς των πρότυπων εμπρόσθιων ηλεκτρονικών ASIC (VMM) των ανιχνευτών MicroMEGAS και sTGC, υπό συνθήκες ακτινοβόλησης υψηλοενεργειακών νετρονίων, συγκρίσιμες με εκείνες που αναμένονται στο ATLAS στο Run III που θα ξεκινήσει μετά το Phase-I. Για το σκοπό αυτό, δυο VMM πρώτης γενιάς (VMM1) εκτέθηκαν σε περιβάλλον ακτινοβόλησης χρησιμοποιώντας τον επιταχυντή TANDEM που βρίσκεται στο Ε.Κ.Ε.Φ.Ε «Δημόκριτος» στην Αθήνα. Για τις ανάγκες του πειράματος αυτού έπρεπε να τροποποιηθεί η λειτουργία του ψηφιοποιητή FPGA (Field-Programmable Gate Array) καθώς και αυτή του λειτουργικού LABView ούτως ώστε να είναι δυνατή η ανίχνευση SEU (single event upset) των εσωτερικών παραμέτρων των VMM1 που εξετάστηκαν. Τα αποτελέσματα έδειξαν μεγάλο αριθμό SEU με ενεργό διατομή (4.1 ± 0.7) × 10−14 cm2/bit για κάθε VMM. Αυτή η ενεργός διατομή θα αντιστοιχεί σε ρυθμό εμφάνισης τέτοιων γενονότων 1.7 SEU/min στο Run III για κάθε ένα από τα 40.000 VMM που θα εγκατασταθούν κατά τη διάρκεια της αναβάθμισης Phase-I στο ATLAS.

Sypersymmetry is one of the leading theories which could explain shortcomings of the Standard Model, such as the hierarchy problem, but also address phenomena such as dark matter. This thesis presents two searches of Supersymmetry through the electroweak production of charginos and neutralinos decaying into three leptons (electrons and muons) and large missing transverse energy using data collected in ATLAS from pp collisions at 8 TeV center of mass energy. The first study aims at large mass differences between the lightest and next-to-lightest neutralino, referred to as “the bulk region”, whereas the second study focuses on the small mass differences, a region known as “compressed spectra”. No significant data excess above the Standard Model was observed, however exclusion limits were set on masses of Supersymmetric particles. In particular, as far as the studies of the bulk region are concerned, extrapolating the sensitivity of the signal points to cover the whole WZ-mediated grid lead to an expansion of the exclusion of the chargino mass to 387 GeV from 350 GeV for low lightest-neutralino masses. In the compressed spectra region, for the slepton-mediated simplified model, low mass splitting points were excluded up to 280 GeV for chargino masses in the compressed region. As for the WZ-mediated simplified model, a handful of low mass splitting points are excluded, therefore 1D limits were set instead. In the course of improving the chances of observing new physics in the future, additional studies were performed in this thesis, regarding the new muon MicroMEGAS detectors to be installed in the New Small Wheel in 2019. Significant contribution was made on understanding the behavior of the front-end readout ASIC prototype (VMM1) of the MicroMEGAS and sTGC detectors, under harsh radiation environments, such as those expected in ATLAS during Run III. For this purpose, two VMM1s were exposed in a neutron irradiation environment using the TANDEM Van Der Graaff accelerator at NSCR Demokritos, Athens, Greece. The system’s digitizer Field-Programmable Gate Array (FPGA) and LABView interface were modified so as to allow detection and monitoring of single event upsets (SEU) in the internal configuration registers of the VMM1 that were examined. The results showed a high rate of SEU occurrences at a measured cross section of (4.1 ± 0.7) × 10−14 cm2/bit for each VMM. Consequently, when extrapolating this value to the luminosity expected in Run III, the occurrence is 1.7 SEUs/min for each of the 40,000 VMMs installed during the ATLAS Phase-I upgrade.