Search for squark production in R-parity violating supersymmetry at HERA [Elektronische Ressource] / presented by Johannes Haller

Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byDipl.-Phys. Johannes Hallerborn in Mu¨nster, GermanyOral examination: December 3rd, 2003Search for Squark Productionin R-Parity ViolatingSupersymmetryat HERAReferees: Prof. Dr. Peter SchleperProf. Dr. Karlheinz MeierZusammenfassungSuche nach Squark Produktion in R-Parit¨atsverletzender Supersymmetry bei HERAIn dieser Arbeit wird eine Suche nach Squarks in supersymmetrischen Modellen mit R-Parita¨tsverletzung vorgestellt. Es werden Daten von e p Kollisionen bei HERA untersucht,die vom H1 Detektor bei einer Schwerpunktsenergie von 320GeV aufgenommen wurden. Diese1 + 1Daten entsprechen einer integriertenLuminosita¨t von 64:3pb fu¨re p Kollisionen und 13:5pbfu¨r e p Kollisionen. In der Analyse werden R-parit¨atsverletzende und R-parit¨atserhaltendeZerfa¨lle von Squarks aller 6 Flavours beru¨cksichtigt, die u¨ber eine R-parit¨atsverletzende Yukawa–Wechselwirkung resonant erzeugt werden. In keinem Zerfallskanal wurde eine signifikante Ab-weichung vom Standard Modell gefunden. Es werden Ausschlussgrenzen an das minimale Super-symmetrische Standard Modell und an das minimale Supergravity Modell ermittelt.
Publié le : mercredi 1 janvier 2003
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Dipl.-Phys. Johannes Haller
born in Mu¨nster, Germany
Oral examination: December 3rd, 2003Search for Squark Production
in R-Parity Violating
Supersymmetry
at HERA
Referees: Prof. Dr. Peter Schleper
Prof. Dr. Karlheinz MeierZusammenfassung
Suche nach Squark Produktion in R-Parit¨atsverletzender Supersymmetry bei HERA
In dieser Arbeit wird eine Suche nach Squarks in supersymmetrischen Modellen mit R-
Parita¨tsverletzung vorgestellt. Es werden Daten von e p Kollisionen bei HERA untersucht,
die vom H1 Detektor bei einer Schwerpunktsenergie von 320GeV aufgenommen wurden. Diese
1 + 1Daten entsprechen einer integriertenLuminosita¨t von 64:3pb fu¨re p Kollisionen und 13:5pb
fu¨r e p Kollisionen. In der Analyse werden R-parit¨atsverletzende und R-parit¨atserhaltende
Zerfa¨lle von Squarks aller 6 Flavours beru¨cksichtigt, die u¨ber eine R-parit¨atsverletzende Yukawa–
Wechselwirkung resonant erzeugt werden. In keinem Zerfallskanal wurde eine signifikante Ab-
weichung vom Standard Modell gefunden. Es werden Ausschlussgrenzen an das minimale Super-
symmetrische Standard Modell und an das minimale Supergravity Modell ermittelt. Fu¨r einen
großen Bereich des supersymmetrischen Parameterraumes k¨onnen Squark–Massen unter 275GeV
ausgeschlossen werden, wenn die St¨arke der Yukawa–Wechselwirkung gleich der elektroschwachen
Wechselwirkung gesetzt wird.
Abstract
Search for Squark Production in R-Parity Violating Supersymmetry at HERA
ThisthesisdescribesasearchforsquarksinsupersymmetricmodelswhichallowR-parityviolation.
Electron-proton and positron-proton collisions taken at a centre of mass energy of 320GeV have
beeninvestigatedusingtheH1detectoratHERA.Thedatacorrespondtoanintegratedluminosity
1 + 1of64:3pb fore pcollisionsand13:5pb fore pcollisions. Theresonantproductionofsquarks
0ofall6flavoursviaaR-parityviolatingYukawacoupling hasbeenconsidered,takingintoaccount
R-parity violating and conserving decays of squarks. No significant deviation from the Standard
Modelhasbeenfoundinanyofthesquarkdecaytopologiesinvestigated. Theresultsareinterpreted
in terms of exclusion limits within the Minimal Supersymmetric Standard Model and the Minimal
SupergravityModel. Squarkmassesbelow275GeVareexcludedat95%confidencelevelinalarge
part of the supersymmetric parameter space for a Yukawa coupling of electromagnetic strength.For my parents and my grandmotherTable of Contents
1 Introduction 1
2 Theoretical Overview 3
2.1 Basic elements of the Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Standard Model processes in ep collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Motivation for theories beyond the Standard Model. . . . . . . . . . . . . . 8
2.4 Supersymmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.1 The Minimal Supersymmetric Standard Model . . . . . . . . . . . . 13
2.4.2 Breaking of supersymmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5 Phenomenology ofR SUSY in ep collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24p
2.5.1 Resonant squark production at HERA . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.2 R violating squark decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27p
2.5.3 R violating decays of neutralinos and charginos . . . . . . . . . . . 28p
2.5.4 Possible final states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6 Analysis strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.7 Simulation of SM processes and SUSY signal . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 The H1 Experiment at HERA 35
3.1 The HERA collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 The H1 detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.1 The H1 coordinate system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.2 Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.3 Calorimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.4 The Muon System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.5 Luminosity Measurement and Time-of-Flight-System . . . . . . . . . 44
3.3 Trigger and Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4 Detector simulation and event reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4 General Data Analysis 47
4.1 Run selection and detector status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2 Event vertex and vertex reweight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3 Data sets and luminosities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4 Rejection of non-ep background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.5 Lepton identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.5.1 Electron candidates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
i
6ii TABLE OF CONTENTS
4.5.2 Muon candidates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.6 Treatment of the Hadronic Final State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.6.1 Reconstruction of jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.6.2 Calibration of hadronic energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.7 Systematic uncertainties on SM background processes . . . . . . . . . . . . 60
5 Lepton–Quark Channels 63
5.1 Electron–quark channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.1.1 Event selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.1.2 Selection efficiencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1.3 Systematic uncertainties on selection efficiencies . . . . . . . . . . . 70
5.2 Neutrino–quark channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2.1 Event selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2.2 Selection efficiencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6 Channels with an Electron or Positron and Multiple Jets 75
6.1 Preparatory analysis and common preselection . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.1.1 Loose selection of events with an electron and several jets . . . . . . 75
6.1.2 Test of QCD models and control of SM background . . . . . . . . . 78
6.1.3 Common preselection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.2 ’Wrong’ and ’right’ charge channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2.1 Charge measurement in the CJC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.2.2 ’Right’ charge channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2.3 ’Wrong’ charge channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.2.4 Selection efficiencies for ’right’ and ’wrong’ charge channel . . . . . . 86
6.3 Channels with additional charged leptons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.3.1 Selection for eeMJ andeMJ topologies . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.3.2 Selection efficiencies for eeMJ andeMJ topologies . . . . . . . . . 89
6.4 Channels with an additional neutrino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7 Channels with a Neutrino and Multiple Jets 95
7.1 Common preselection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.2 ChannelMJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.2.1 Event selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.2.2 Selection efficiencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.3 Channel with an additional muon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.3.1 Event selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.3.2 Signal efficiencies for MJ final states . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8 Interpretation 103
8.1 Selection summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.2 Cross talk between decay and selection channels . . . . . . . . . . . . . . . 104
8.3 Corrections at very high squark masses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.4 The modified frequentist approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.5 Derivation of exclusion limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
8.6 Exclusion limits in the ‘phenomenological’ MSSM . . . . . . . . . . . . . . . 109

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