Search for Supersymmetry and kinematic endpoint measurement in final states with two tau leptons with the ATLAS detector at the LHC [Elektronische Ressource] / Carolin Zendler. Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

Carolin Zendler

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• Physik

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• Publié par: rheinische_friedrich-wilhelms-universitat_bonn
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 4
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

Search for Supersymmetry and kinematic
endpoint measurement in final states with
two tau leptons with the ATLAS detector
at the LHC
Dissertation
zur
Erlangung des Doktorgrades (Dr. rer. nat.)
der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨at
der
Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universit¨at Bonn
vorgelegt von
Carolin Zendler
aus
Heilbronn
Bonn 2011Angefertigt mit Genehmigung der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨at der
Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universita¨t Bonn
1. Gutachter: Prof. Dr. Klaus Desch
2. Gutachter: Prof. Dr. Jochen Dingfelder
Tag der Promotion: 11.08.2011
Erscheinungsjahr: 2011Abstract
Discovery prospects for Supersymmetry in final states with at least two tau leptons and large
missing transverse energy are evaluated for LHC proton-proton collisions measured with the
ATLAS detector. In a first study based on Monte Carlo simulation, a Supersymmetry signal
selection is developed for fully hadronic, semileptonic and fully leptonic di-tau decays in eventsp
producedinproton-protoncollisionswithacenter-of-massenergyof s=10TeV. Theprospects
of measuring the kinematic endpoint of the di-tau invariant mass distribution assuming an in-R
1tegrated luminosity of Ldt=1fb are evaluated for different mSUGRA scenarios along with
thediscoveryreach. Inasecondstudy, asearchforSupersymmetryinthefullyhadronicchannelR
1is performed, using Ldt=35pb of ATLAS data collected with proton-proton collisions atp
th ths=7TeV between June 24 and October 29 2010. Two events are observed, which is con-
+0:55 (syst)(stat)sistent with the Standard Model background expectation of N = 0:770:19 .SM 0:33
InterpretedinmSUGRA,limitsonm andm aresetfortan =40,apositivehiggsinomixing0 1=2
parameter and A =0GeV or A =-500GeV. These limits constitute the first results of SUSY0 0
searches with tau leptons within the ATLAS experiment.Zusammenfassung
Das Entdeckungspotential von Supersymmetrie mit Endzusta¨nden aus mindesten zwei Tau Lep-
tonen und fehlender Transversalenergie in Proton-Proton Kollisionen wird untersucht, sowie
die M¨oglichkeit einer Messung des Endpunktes der invarianten Masse der beiden Tau-Leptonen
evaluiert. Hierfu¨rwerdenamLHCerzeugteundmitdemATLAS-DetektorgemesseneEreignisse
verwendet. Eine erste Studie basierend auf Monte Carlo Simulation entwickelt eine Super-
symmetrie-Ereignisselektion fu¨r voll hadronische, semileptonische und voll leptonische Zerf¨alle
der Tau-Paare fu¨r Ereignisse, die in Proton-Kollisionen mit einer Schwerpunktsenergie vonp
s=10TeV produziert werden. Die Aussicht auf eine erfolgreiche Messung des kinematischen
Endpunktes des Spektrums der invarianten Masse der Tau-Paare mit einer integrierten Lumi-R
1nosit¨at von Ldt=1fb wird in verschiedenen mSUGRA Modellen untersucht und das Ent-R
1deckungspotential bestimmt. In einer zweiten Studie werden Ldt=35pb an ATLAS-Datenp
ausgewertet, die in Proton-Kollisionen mit s=7TeV zwischen dem 24. Juni und dem 29. Ok-
tober 2010 aufgenommen wurden, und nach Hinweisen fu¨r Supersymmetrie im voll hadronischen
Kanal gesucht. Die beobachtete Anzahl selektierter Ereignisse ist mit 2 Ereignissen in guter
+0:55 (syst)(stat)¨Ubereinstimmung mit der Standardmodellerwartung von N = 0:77 0:19SM 0:33
Ereignissen. Dieses Ergebnis wird im mSUGRA Modell interpretiert, und es werden Gren-
zen fu¨r m und m im mSUGRA-Parameterraum mit tan =40, einem positiven Higgsino-0 1=2
MischungsparameterundA =0GeVoderA =-500GeVgesetzt. DiesstelltdasersteErgebnis0 0
der ATLAS SUSY Suche mit Tau Leptonen dar.
vContents
1. Introduction 1
2. Supersymmetry 3
2.1. The Standard Model of particle physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1. Shortcomings of the Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2. Supersymmetric extension of the Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1. Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2. Minimal Supergravity (mSUGRA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3. mSUGRA phenomenology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1. Tau final states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3. The ATLAS detector at the LHC 21
3.1. The Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.1. Event topology of proton-proton collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2. The ATLAS Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.1. Magnet System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.2. The Inner Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.3. Calorimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.4. Muon System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.5. Forward Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.6. Trigger System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4. Event simulation and reconstruction 33
4.1. Event generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1.1. QCD dijets: PYTHIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1.2. SUSY signal events: HERWIG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1.3. W and Z bosons: ALPGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1.4. Top quark pair production: MC@NLO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2. Detector simulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2.1. Full detector simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2.2. Fast detector simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.3. Event reconstruction and definition of physics objects . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.3.1. Inner Detector Tracks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3.2. Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3.3. Tau leptons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.4. Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3.5. Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3.6. Overlap removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3.7. Missing transverse energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3.8. Derived quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5. Endpoint measurement of a invariant mass spectrum 49
5.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2. Di-tau SUSY signature at the LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2.1. Standard Model background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
viiContents
p
5.3. Invariant mass of two hadronic tau leptons in s=14TeV collisions . . . . . . . 52
5.3.1. Starting point: previous work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.3.2. Further developement of the analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54p
5.4. Extension to leptonic tau lepton decays in s=10TeV collisions . . . . . . . . . 57
5.4.1. Starting point: preceding work regarding (semi-)leptonic spectra . . . . . 58p
5.4.2. Event selection for s=10TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.4.3. Endpoint measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.4.4. Systematic uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.4.5. Alternative fit method: unbinned maximum likelihood fit . . . . . . . . . 71
5.4.6. Scan of mSUGRA parameter space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.5. Summary and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
p
6. Search for Supersymmetry with s=7 TeV collisions 81
6.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2. Data and Monte Carlo simulated samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2.1. ATLAS data 2010 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2.2. Monte Carlo simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.3. Tau identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.4. Event selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.4.1. Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.4.2. Event cleaning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.4.3. SUSY event selection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.5. MC validation with data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.5.1. QCD background estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.5.2. Non-QCD BG vaildation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.6. Systematic uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.6.1. Jet energy scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.6.2. Jet energy resolution