Search for scalar quarks in e _1hn + e_1hn- _ collisions at LEP II [Elektronische Ressource] / von Serge Sushkov

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2003
• Nombre de lectures: 24
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

Search for Scalar Quarks
+ −in e e collisions at LEP II
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨ at I
der Humboldt-Universit¨ at zu Berlin
von
Diplom-Physiker Serge Sushkov,
geboren am 24. Marz 1974 in Katav-Ivanovsk, Russland
Pr¨ asident der Humboldt-Universit¨ at zu Berlin
Prof. Dr. Jurgen¨ Mlynek
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨ at I
Prof. Dr. Michael Linscheid
Gutachter: 1. Prof. Dr. T. Hebbeker
2. Prof. Dr. H. Kolanoski
3. Prof. Dr. T. Lohse
eingereicht am: 16.03.2003
Tag der mundlic¨ hen Prufung:¨ 22.09.2003Abstract
˜Diese Dissertation besch¨ aftigt sich mit der Suche nach dem skalaren Top Quark t und
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˜dem skalaren Bottom Quark b innerhalb des Minimal Supersymmetric Standard Model
1
(MSSM) unter der Annahme der R-Parit¨ atserhaltung. Suchen nach den folgenden Zer-
0˜ ˜fallsmoden des Stop-Quark wurden durchgefuhrt:¨ t → cχ˜ , t → blν˜ (wobei l mit gle-
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˜ichen Wahrscheinlichkeiten entweder e, µ oder τ ist) und t → bτν˜ (nur das Tau-Lepton
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0˜wird beruc¨ ksichtigt). Zus¨ atzlich wurde der Dreik¨ orperzerfall t → bWχ˜ im erlaubten
1
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0Massenbereich M >M+M +M ≥ 86 GeV gesucht. Fur¨ das Sbottom-Quark wurde
˜t b W χ˜
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0˜der Zerfall b → bχ˜ studiert. Jede dieser Zerfallsmoden wurde voneinander unabh¨ angig
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unter der Annahme eines 100 %igen Verzweigungsverh¨ altnisses untersucht.
+ −F¨ ur diese Suche wurden Daten aus e e -Kollisionen bei Schwerpunktsenergien im
Bereich von 202−208 GeV benutzt. Die Daten wurden im Jahr 2000 von dem L3 Detektor
am Large Electron Positron Collider (LEP) am CERN aufgenommen. Ferner wurden die
Resultate der Datenanalyse aus dem Jahr 2000 mit Resultaten der Squark-Suche kom-
biniert, die die L3 Kollaboration in vorhergehenden Jahren bei Schwerpunktsenergien
von 161 bis 202 GeV durchgefuhrt¨ hat.
Die untersuchten Squark Zerfallskan¨ ale bestimmen die Topologie der fur¨ uns inter-
essanten Ereignisse: 2 Jets (oder b-Jets) + fehlende Energie (+ 2 Leptonen fur¨ die
0˜Stop-Dreik¨ orperzerf¨ alle). Die t → bWχ˜ Zerfallstopologie hangt¨ signifikant von den
1
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weiteren Zerf¨ allen des W-Bosons ab und kann bis zu 6 Jets im Endzustand haben.
Die Annahme der R-Parit¨ atserhaltung impliziert die Stabilit¨ at des leichtesten super-
0symmetrischen Teilchens (des LSP), das das leichteste Neutralino χ˜ ist. Das LSP
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wechselwirkt nur schwach und entweicht deswegen unentdeckt. Ein besonderes Merk-
mal der Signal-Ereignisse ist somit eine erhebliche Menge fehlender Energie E .Diemiss
sichtbare Energie E = E − E ist in etwa proportional zu der Massendifferenzvis tot miss
zwischen dem Squark und dem LSP, ∆M = M − M . Weil die Standardmodell-
˜ LSPt
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Untergrundzusammensetzung vom Anteil der sichtbaren Energie abh¨ angt, hangt¨ die
Analyse auch vom Wert von ∆M ab.
Abh¨ angig von der Menge fehlender Energie kann der Standardmodell-Untergrund in
drei Kategorien eingeteilt werden:
+ − + − + − + − + − + −
• die zwei-Fermion-Prozesse sind e e → e e , e e → µ µ , e e → τ τ and
+ −e e → q q¯;
+ − + − + − ± ∓ + −
• die vier-Fermion-Kategorie besteht aus e e → W W , e e → W e ν, e e →
0 0 + − 0 + −Z Z und e e → Z e e Prozessen;+ − + − + − + − + − + −
• die zwei-Photon-Untergrundprozesse sind e e → e e e e , e e → e e µ µ ,
+ − + − + − + − + −e e → e e τ τ and e e → e e q q¯.
+ − + −Der letzte Prozess, e e → e e q q¯, tr¨ agt den gr¨ossten Anteil zu den SM-
Untergrundprozessen bei (wegen sehr hohem und stark schwankendem E und demmiss
gr¨ ossten Wirkungsquerschnitt).
Im ersten Schritt der Analyse wurden Events mit der gewunsc¨ hten Topologie (2
Jets und hohes E ) vorselektiert. Die Selektion von Stop- und Sbottom-Ereignissenmiss
wurde durch die Minimierung der mit 95% Confidence Level (C.L.) erwarteten oberen
Grenze des Squark-Wirkungsquerschnitts – berechnet aus MC-Vorhersagen – optimiert,
wobei der kleine theoretisch vorhergesagte Produktionswirkungsquerschnitt des Squarks
ber¨ucksichtigt wurde. In allen fur¨ den jeweiligen Squark Zerfallskanal optimierten Selek-
tionen stimmt die Anzahl von Daten Events mit der erwarteten Anzahl von Standard-
modellprozessen ub¨ erein:
0˜
• f¨ur den t → cχ˜ Zerfall wurden 29 Daten-Events beobachtet, wobei 26.5± 2.7
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Events von den SM-Prozessen erwartet wurden;
˜
• f¨ur den Dreik¨ orperzerfall t → blν˜ wurden 4 Daten-Events selektiert bei einer
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Standardmodell-Erwartung von 4.0± 1.0Events;
˜
• f¨ur den Zerfall t → bτν˜ sind die Daten- und SM-Eventzahlen 5 bzw. 3.9± 1.0;
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0˜
• in der Selektion fur¨ t → bWχ˜ wurden 184 Daten Events beobachtet und 181.6±
1
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3.0 Events wurden vom Standardmodell vorhergesagt;
0˜
• f¨ur den Bottom Squark Zerfall b → bχ˜ entsprachen die beobachteten 6 Events
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der SM-Erwartung von 7.7± 1.3Events.
Es wurden keine MSSM-Skalar-Quarks in den Daten des Experiments beobachtet und
das Resultat der Suche ist negativ.
Die modellunabh¨ angige 95 % C.L. obere Grenze fur¨ den Squark-
Produktionswirkungsquerschnitt wurde aus der gemessenen Anzahl von Daten-
Events und der aus dem Standardmodell erwarteten Eventanzahl berechnet. Fur¨
die Berechnung der oberen Grenzen der Produktionswirkungsquerschnitte wur-
den die Resultate der Squark-Suchen aus den L3-Daten bei Schwerpunktsenergien
√
von s = 202 − 208 GeV mit den Resultaten aus vorherigen Suchen der L3-
√
Kollaboration bei 161 GeV < s<202 GeV kombiniert. Eine neue Methode
wurde entwickelt, um die kombinierten Grenzen zu berechnen. Die Methode beruc¨ k-
sichtigt die statistische Unabh¨ angigkeit jeder Messung und die Abh¨ angigkeit des
Squark-Produktionswirkungsquerschnittes von der Schwerpunktsenergie. In der
Berechnung wurde den systematischen Unsicherheiten in der Standardmodell-
Untergrundabschatzung¨ und der Signal-Selektionseffizienz Rechnung getragen.
0 0˜˜ ˜ ˜F¨ ur die hier betrachteten Squark-Zerf¨ alle t → cχ˜ , t → blν˜, t → bτν˜ und b → bχ˜
1 1 1 1
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werden typisch folgende oberen Grenzen mit 95% C.L. fur¨ den Squark Produktion-
swirkungsquerschnitt erhalten:
95%σ < 0.05− 0.2 pb;
˜t
195%σ < 0.05− 0.1 pb.
˜b
1
0˜Bei den Suchen nach dem Stop-Dreik¨ orperzerfall t → bWχ˜ wurden die Produk-
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tionswirkungsquerschnitte ub¨ er 0.7− 1.0 pb mit 95 % C.L. ausgeschlossen.
Innerhalb des Minimal Supersymmetrischen Standard Modells mit R-Parit¨ atserhal-
tung wurden die unabh¨ angigen Wirkungsquerschnittsgrenzen fur¨ den Ausschluss von
MSSM Parametern benutzt, insbesondere fur¨ die Stop- und Sbottom-Massen.
Die Squark-Massen wurden fur¨ jeden betrachteten Zerfallskanal in Hinsicht zwei
m¨ oglichen Szenarien ausgeschlossen: fur¨ den maximalen und den (n¨ aherungsweise) min-
imalen theoretischen Wirkungsquerschnitt. Der erste Fall korrespondiert zur maximalen
Mischung zwischen den links- und rechtsh¨ andigen Squark-Eigenzust¨ anden, cosθ =1;LR
0der zweite Fall ist definiert durch den Wert von cosθ , bei dem die Squarks vom ZLR
Boson entkoppeln. Abh¨ angig vom Wert M wurden die Squark Massen mit 95 % C.L.
bis zu den folgenden Werten ausgeschlossen:
0 σ σ
min max˜t → cχ˜ : M < 90− 93 GeV,M < 95− 96 GeV;
1
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˜ ˜t t
1 1
σ σ
min max˜t → blν˜ : M < 87− 89 GeV,M < 90− 91 GeV;
1
˜ ˜t t
1 1
σ σ
min max˜t → bτν˜ : M < 83− 88 GeV,M < 88− 91 GeV;
1
˜ ˜t t
1 1
σ σ
0 min max˜b → bχ˜ : M < 76− 83 GeV,M < 94− 97 GeV.
1
1
˜ ˜b b
1 1
In beiden F¨ allen werden die experimentell beobachteten 95% C.L. Massen Auss-
chlussgrenzen mit den aus Monte Carlo Simulationen ohne SUSY Teilchen erwarteten
verglichen. Die experimentallen Ausschlussgrenzen Sind vertr¨ aglich mit den erwarteten.
Die mit 95 % C.L. erhaltene obere Grenze fur¨ den Stop-Produktionquerschnitt ist im
0˜Zerfall t → bWχ˜ gr¨ osser als die zugeh¨ orige theoretische Vorhersage. Der Ausschluss
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mit 95 % C.L. auf Massen war mit dem zur Verfugung¨ stehenden Datensatz aus diesen
Grund nicht m¨oglich.
Unter der Annahme, dass die Zerfallstopologie der skalaren Quarks der ersten zwei
Generationen ¨ahnlich dem Zweik¨ orperzerfall des Stop ist, wurden die Resultate der Suche
0˜nach dem Zerfall t → cχ˜ auch fur¨ die Berechnung der Massenausschlussgrenzen fur¨
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die Squarks der ersten beiden Familien benutzt. Zwei M¨oglichkeiten wurden hier in
˜ ˜Erw¨ agung gezogen: die Massenentartung zwischen vier (u˜, d,˜c,˜s) und funf¨ (b zus¨ atzlich)
Squarks. Die Ausschlussgrenzen mit 95% C.L. auf die massenentarteten skalaren Quarks
in den F¨allen der “nur-rechts” oder “links-und-rechts” Eigenzust¨ ande sind die folgenden:
˜q˜=˜ u d c˜ s˜ : M < 95− 96 GeV,M < 99− 100 GeV