Search for new heavy charged gauge bosons [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Carsten Martin Magaß

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 14
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 23 Mo

Extrait

Search for New Heavy
Charged Gauge Bosons
Dissertation
Carsten Magaß
III. Physikalisches Institut A
Additional gauge bosons are introduced in many theoretical extensions to the Standard
′Model. A search for a new heavy charged gauge boson W decaying into an electron and a
neutrino is presented. The data used in this analysis was taken with the DØ detector at the
Fermilab proton-antiproton collider at a center-of-mass energy of 1.96 TeV and corresponds to
−1anintegratedluminosityofabout1fb . Sincenosignificantexcessisobservedinthedata, an
′′upperlimitissetontheproductioncrosssectiontimesbranchingfractionσ ×Br(W →eν).W
′Using this limit, aW boson with mass below∼1 TeV can be excluded at the 95% confidence
level assuming that the new boson has the same couplings to fermions as the Standard Model
W boson.Search for New Heavy Charged Gauge Bosons
Von der Fakult¨at fu¨r
Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der
Rheinisch-Westf¨alischen Technischen Hochschule Aachen zur
Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der
Naturwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Physiker
Carsten Martin Magaß
¨aus Ubach-Palenberg
Berichter: Univ.-Prof. Dr. T. Hebbeker
Univ.-Prof. Dr. A. Stahl
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 02.11.2007
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek
online verfu¨gbar.Abstract
TheTevatronproton-antiprotoncollideratFermilab(nearChicago/USA)isoperating√
at a center-of-mass energy of s = 1.96 TeV since March 2001. This analysis uses data
takenwiththeDØdetectoruntilFebruary2006correspondingtoanintegratedluminosityR
−1ofabout Ldt=1fb . Usingthisdataset,asearchforanewheavychargedgaugeboson
′W and its subsequent decay into an electron and a neutrino is performed:
′pp¯→W +X→eν +X.
′Additional gauge bosons (including the equivalent to theZ, the Z ) are introduced in
many extensions to the Standard Model of particle physics. Assuming the most general
case, the new gauge group can comprise a new mixing angle and new couplings. Here, the
Altarelli Reference Model is considered which represents a generalization of the Manifest
Left-Right Symmetric Model with light right-handed neutrinos. This model makes the
′assumptions that the new gauge bosonW has the same couplings as the Standard Model
′W boson and that there is no mixing. Hence, the W is a heavy copy of the Standard
Model W boson.
The clear decay signature (in analogy to the decay of the W) contains an isolated
electron with extreme high energy which is important for triggering. The neutrino can
not be detected, but it gives rise to missing energy in the detector. The Jacobian peak
in the transverse mass distribution stemming from the W decay is used for calibration,
′whereas the tail of the transverse mass distribution is searched for a possible W signal.
The data agrees with the expectation from background processes. For instance, in the
data 37 events are reconstructed with transverse masses above 300 GeV compared to a
+6.0prediction of 37.1±2.1 (stat) (sys) background events.−3.7
Since no significant excess is found in the data, an upper limit is set on the production
′cross section for heavy charged gauge bosons decaying into electron and neutrino, σ ×W
′Br(W → eν). Using this limit, a lower bound on the mass of the new gauge boson can
be derived at the 95% confidence level,
m ′ >1002 GeV.W
IZusammenfassung
Seit Ma¨rz 2001 werden am Tevatron-Beschleuniger auf dem Forschungsgela¨nde Fermi-
lab (nahe Chicago/USA) Protonen und Antiprotonen bei einer Schwerpunktsenergie von√
s = 1.96 TeV zur Kollision gebracht. Die vorliegende Analyse verwendet Daten, die
mit dem DØ-Detektor bis zum Februar 2006 aufgenommen wurden und einer integriertenR
−1Luminosit¨at von etwa Ldt=1 fb entsprechen. In diesem Datensatz wird nach einem
′neuen schweren geladenen Eichbosonen W und dessen Zerfall in ein Elektron und ein
Neutrino gesucht:
′pp¯→W +X→eν +X.
′Zus¨atzliche Eichbosonen (das Pendant zumZ-Boson, dasZ , eingeschlossen) kommen
inzahlreichenErweiterungendesStandardmodellsderTeilchenphysikvor. ImAllgemeinen
k¨onnen durch die neue Eichgruppe Mischungswinkel und neue Kopplungen auftreten.
In dieser Analyse wird das Referenzmodell von Altarelli – eine Verallgemeinerung des
manifesten links-rechts-symmetrischen Modells mit leichten rechtsh¨andigen Neutrinos –
herangezogen.
′Hier werden die Annahmen gemacht, dass das neue EichbosonW dieselben Kopplun-
genwiedasW-BosonimStandardmodellhatunddasseskeineMischungenenth¨alt. Somit
′stellt das W eine schwere Kopie des W-Bosons aus dem Standardmodell dar.
Die klare Zerfallssignatur (identisch zum W-Zerfall) enth¨alt ein isoliertes, hochener-
getisches Elektron, welches den Trigger ausl¨ost. Das Neutrino kann nicht detektiert wer-
den; es zeigt sich jedoch durch fehlende Energie im Detektor. Der vom W-Zerfall stam-
mendeJacobi-PeakimSpektrumdertransversalenMassewirdzurKalibrationverwendet,
′w¨ahrend der Bereich h¨ochster transversaler Massen auf Anwesenheit einesW -Signals un-
tersucht wird.
Die in den Daten gemessenen Ereignisse sind vertra¨glich mit der Erwartung von Un-
tergrundereignissen. So werden beispielsweise fu¨r transversale Massen oberhalb von 300
+6.0GeV in den Daten 37 Ereignisse rekonstruiert, wa¨hrend 37.1±2.1 (stat) (sys) Unter-
−3.7
grundereignisse vorhergesagt werden.
¨Da kein signifikanter Uberschuss in den Daten erkennbar ist, k¨onnen obere Aus-
schlussgrenzenaufdenProduktionswirkungsquerschnittvonschwerengeladenenEichboso-
′′nen und deren Zerfall in Elektron und Neutrino,σ ×Br(W →eν), angegeben werden.W
Daraus ergibt sich bei einem Vertrauensniveau von 95% eine untere Grenze auf die Masse
des neuen Eichbosons von
m ′ >1002 GeV.W
IIIContents
1 Introduction 1
2 Theoretical Foundations 5
2.1 Measures and Conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Aspects of the Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1 The Gauge Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2 The Electroweak Interaction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.3 The Strong Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.4 The Higgs Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.5 The Running of the Coupling Constants . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.6 Parton Distribution Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.7 The W Production Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 New Charged Gauge Bosons beyond the Standard Model . . . . . . . . . . 26
2.3.1 Left-Right Symmetric Extension of the Standard Model . . . . . . . 27
′2.3.2 The W Reference Model as a General Approach . . . . . . . . . . . 31
′2.3.3 Bounds on the W Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 Tevatron and the DØ Detector 35
3.1 The Tevatron Collider Complex. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 Luminosity and Multiple Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3 The DØ Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.1 Tracking System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.2 Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.3 Muon System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.4 Luminosity Monitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4 Trigger and Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
V3.4.1 Level 1 Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4.2 Level 2 Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.4.3 Level 3 Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.4.4 Trigger and Luminosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4.5 Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.5 Data Reconstruction and Data Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4 Object Identification 71
4.1 Electron Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2 Jet Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3 Neutrino Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5 Simulation of Background and Signal Events 85
5.1 Simulation Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.2 Standard Model Backgrounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
′5.3 The W Signal and its Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6 Data Selection and QCD Background Estimation 101
6.1 Data Sample, Triggers and Luminosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.2 Event Selection Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.3 QCD Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.4 Effective LuminosityL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115W
7 Efficiencies, Corrections and Uncertainties 117
7.1 Electron Energy Resolution and Scale . . . . . . . . . . . . .