Search for new Phenomena in Dijet Angular Distributions at √s = 8 and 13 TeV

Abstract

A new energy regime has recently become accessible in collisions at the Large Hadron Collider at CERN. Abundant in hadron collisions, the two-jet final state explores the structure of the constituents of matter and the possible emergence of new forces of nature, in the largest momentum transfer collisions produced. The results from searches for phenomena beyond the Standard Model in the dijet angular distributions are presented. The data were collected with the ATLAS detector in proton-proton collisions at centre-of-mass energies of 8 and 13 TeV, corresponding to integrated luminosities of 17.3 /fb and 3.6 /fb, respectively. No evidence for new phenomena was seen, and the strongest 95% confidence level lower limits to date were set on the scale of a range of suggested models. This work details the limits on the compositeness scale of quarks in a contact interaction scenario with two different modes of interference with Standard Model processes, as well as on the threshold mass of quantum black holes in a scenario with 6 extra spatial dimensions, and on the mass of excited quark states. It also includes new exclusion limits on the mass of a dark matter mediator and its coupling to fermions, as derived from the contact interaction limits using an effective field theory approach.



The performance in ATLAS of the jet-area based method to correct jet measurements for the overlaid energy of additional proton-proton collisions is also presented. It removes the dependence of the jet transverse momentum on overlaid collision energy from both simultaneous interactions and those in the neighbouring bunch crossings, and was adopted as part of the jet calibration chain in ATLAS.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Hur förklarar vi vad som hände efter Big Bang? Hur är det möjligt att titta 14 miljarder år tillbaka i tiden, isolera de första miljarddelarna av en sekund, och studera vad som pågår precis där och då? Svaret är såklart, att vi inte kan det. Det vi kan göra, är att om och om igen återskapa några viktiga aspekter av de förhållanden som rådde då, och studera vad som händer. Metoden vi använder är att omvandla energi till partiklar med massa — precis som vi föreställer oss hände i universums begynnelse. Det gör vi genom att accelererera upp stora mängder av protoner — atomkärnor av universums lättaste och vanligaste grundämne, väte — till höga energier i en partikelaccelerator, och sedan låta dem kollidera. Runt kollisionspunkten placeras en detektor. I kollisionerna kan tunga partiklar bildas eftersom det finns så mycket energi tillgänglig. De tunga partiklarna sönderfaller sedan till lättare partiklar, ibland i långa sönderfallskedjor fram till de lätta partiklar som är det som universum består av idag. De växelverkar med materialet i detektorn och ger upphov till elektriska signaler som läses ut och används till att rekonstruera vad som bildades i kollisionen. På så sätt kan vi få en glimt av vad som kunde hända

med den stora tillgängliga energi som fanns koncentrerad i en mycket liten volym i universums begynnelse.



Den vanligaste typen av växelverkan mellan protonernas beståndsdelar — kvarkar och gluoner, eller med ett gemensamt namn: partoner — är den så kallade starka kraften. I protonkollisionerna växelverkar två partoner, och ett möjligt utfall är att nya partoner bildas med hög energi, och slungas ut från kollisionspunkten. Men en egenskap hos den starka kraften är att en parton aldrig kan isoleras! Istället bildas kontinuerligt nya kvark/antikvark-par i dess kölvatten, av rörelseenergin hos partonen, som successivt bromsas in av energiförlusten. Resultatet blir en riktad skur av partiklar — en jet — som tillsammans har den energi och de andra kvantmekaniska egenskaper som partonen fick i kollisionen. Genom att mäta jetens egenskaper kan vi säga något om egenskaperna hos partonen som bildades.



Den här avhandlingen beskriver dels en metod för att noggrant kunna mäta jetenergier även när mätningen påverkas av energi från andra kollisioner, och dels hur vinklarna mellan jetpar kan användas för att leta efter fenomen som inte beskrivs av den rådande teori som beskriver vilka naturlagar (krafter och fundamentala partiklar) som finns. Vi vet att det behövs en mer fundamental teori än den nuvarande, eftersom det finns observationer som den inte förklarar, t ex den stora skillnaden mellan massorna av olika typer av kvarkar. En av den

experimentella partikelfysikens viktigaste uppgifter just nu är därmed

att finna tecken på avvikelser från den rådande teorin, så att vi kan börja ana på vilket sätt vi bättre kan beskriva universums beståndsdelar och krafter. Avhandlingen visar att vid de mest högenergetiska kollisioner vi hittills kunnat åstadkomma i en accelerator, har vi ännu inte observerat några avvikelser från den rådande teorin.

• author: Bryngemark, Lene
• supervisor: Torsten Åkesson
• opponent: Nakada, Tatsuya, École polytechnique fédérale de Lausanne
• organization: Particle and nuclear physics
• publishing date: 2016
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Subatomic Physics
• keywords: ATLAS, LHC, quark compositeness, dark matter, pile-up, quantum black holes, Contact Interactions, 13 TeV, 8 TeV, beyond the Standard Model, angular distributions, dijets, Jets
• pages: 246 pages
• defense location: Rydbergsalen, Fysiska Institutionen
• defense date: 2016-03-18 14:00:00
• ISBN: 978-91-7623-685-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 2ab720c8-9baf-4632-a446-67c239d78f6c (old id 8768057)
• alternative location: https://cds.cern.ch/record/2131851
• date added to LUP: 2016-04-04 10:59:02
• date last changed: 2018-12-10 15:07:55