Majorana Neutrinos - Same Sign Di-Muon Investigations in 8 TeV Datasets with the BUMPHUNTER Algorithm

Abstract

A hypertest-algorithm, the BUMPHUNTER, is introduced briefly and tested by
probing events containing muons in 8 TeV datasets from the ATLAS detector at
the Large Hadron Collider (LHC) at CERN against a background spectrum created
by selecting muons from different collisions. The hypertest looked for excesses of
same sign di-muon pairs which could indicate the existence of a Majorana neutrino.
The resulting spectrum did not constitute a reliable statistical background for the
algorithm so no significant conclusion could be drawn from the BUMPHUNTER
output. The algorithm proved both efficient, easy to use and appropriate for the
high energy physics studies. Suggestions for improvements of the implementation
that was used were: Improved ability to control output and to either guarantee
output, or document how histograms that the algorithm cannot handle will affect
the output such that the user can take appropriate error handling actions.

Popular Abstract (Swedish)

Den moderna partikelfysiken är utan tvekan en av männsklighetens största triumfer hittils. Sedan dess begynnelse i slutet på 1900-talet har partikelfysiker världen över lyckats skapa det mest uttömmande svaret på frågan vad allting består av. Det sista stora hålet som fanns kvar i den så kallade Standardmodellen var partikeln som förklarar hur de andra partiklarna får sin massa, Higgspartikeln, upptäcktes vid mastodontexperimenten ATLAS och CMS på gränsen mellan Frankrike och Schweiz. Det kan vara lätt att undra vad som finns kvar att ta reda på, men det finns fortfarande många frågor att besvara.

Standardmodellen beskriver de minsta beståndsdelarna i universum som en samling par-
tiklar och deras interaktioner med varandra. Större delen av universum består av tomrum och sådana partiklar men det finns även en annan form av materia som beter sig som en spegelbild av vanlig materia, så kallad antimateria. För varje vanlig partikel finns det en motsvarande antipartikel som är har samma egenskaper som dess partikelsyskon, förutom att vissa egenskaper är omvända såsom elektrisk laddning.

Det finns dock undantag till denna regel då vissa partiklar är omöjliga att skilja från sin antipartikel såsom partikeln som transporterar ljus, fotonen. Det visar sig också att det finns en möjlighet att dessa partiklar inte får sin massa på samma sätt som de andra genom Majoranamekanismen, namngiven efter den italienske fysikern Ettore Majorana som först föreslog den som en möjlighet.

Det finns en partikeltyp som det inte är tydligt om den har en tydlig antipartikelmotsvarighet eller om den är sin egen antipartikel är elektronens laddade partner, neutrinon. Neutrinon har gäckat fysiker länge. Från början trodde fysiker att den var masslös som fotonen är men i slutet av 90-talet upptäcktes det att de har en massa men att den är oerhört liten jämfört med de andra elementarpartiklarna.

Eftersom neutrinon inte har någon av egenskaperna som tydligt avgör om en partikel och
en antipartikel skiljer sig åt, såsom elektrisk laddning, så skulle neutrinons massa kunna bero på Majoranamekanismen. Om så vore fallet skulle fler par av muoner, en tyngre variant av elektronerna, med samma laddning dyka upp efter protonkollisionerna som utförs vid CERN. Denna rapport försöker därför undersöka om så är fallet.

Att undersöka om neutrinon är en Majoranapartikel är syfte nog för en undersökning men
den här rapporten utgjorde även en möjlighet att prova en modern algoritm som designats för att upptäcka små överskott i ett spektrum jämfört med vad som var förväntat, den så kallade BUMPHUNTER-algoritmen.

Inga bevis för Majoranapartiklar kunde hittas i den här studien men den utgjorde ett
bra test för BUMPHUNTER-algoritmen som visade sig både vara effektiv och enkel att
använda. Det ena problemet som kunde urskiljas låg i att det inte gick att förutsäga hur tillämpningen som användes skulle bete sig när något gick fel, men det är något som skulle kunna åtgärdas relativt enkelt.

• author: Elén, Einar
• supervisor: Oxana Smirnova
• organization: Department of Physics; Particle and nuclear physics
• course: FYSK02 20161
• year: 2016
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: BUMPHUNTER, Majorana Neutrino, ATLAS, Di-muon, Neutrino
• language: English
• id: 8890305
• date added to LUP: 2016-09-05 11:55:44
• date last changed: 2016-09-05 11:55:44