Luminosity determination and searches for supersymmetric sleptons and gauginos at the ATLAS experiment

Abstract

This thesis documents my work in the luminosity and supersymmetry groups of the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider. The theory of supersymmetry and the concept of luminosity are introduced. The ATLAS experiment is described with special focus on a luminosity monitor called LUCID. A data-driven luminosity calibration method is presented and evaluated using the LUCID detector. This method allows the luminosity measurement to be calibrated for arbitrary inputs. A study of particle counting using LUCID is then presented. The charge deposited by particles passing through the detector is shown to be directly proportional to the luminosity. Finally, a search for sleptons and gauginos in final states with exactly two oppositely charged leptons is presented. The search is based on 20.3 fb$^{-1}$ of $pp$ collision data recorded with the ATLAS detector in 2012 at a center-of-mass energy of $\sqrt{s} = 8$ TeV. No significant excess over the Standard Model expectation is observed. Instead, limits are set on the slepton and gaugino masses.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Partikelfysiken är studien av naturens minsta beståndsdelar --- De så kallade \emph{elementarpartiklarna}. All materia i universum består av elementarpartiklar. Den teori som beskriver vilka partiklar som finns och hur de uppför sig heter \emph{Standardmodellen}. Teorin har historiskt sett varit mycket framgångsrik. Den har gång på gång förutspått existensen av nya partiklar innan de kunnat påvisas experimentellt, och klarar av att beskriva många experimentella resultat med imponerande precision. Men Standardmodellen är inte hela sanningen. Det finns fenomen som den inte kan förklara, och partikelfysiker bygger därför experiment för att testa olika utökningar av modellen. En av de mest lovande kallas för \emph{supersymmetri}. Denna teori postulerar att den finns en ny, ännu oupptäckt, partikel för varje partikel inom Standardmodellen. De nya partiklarna tros vara mycket tyngre än de partiklar som hittills har observerats, och skulle till exempel kunna förklara förekomsten av fenomenet mörk materia.



För att skapa tunga partiklar krävs det stora mängder energi. I CERN-laboratoriet utanför Geneve har man byggt världens största partikelaccelerator, vars syfte är just att förse partiklar med hög kinetisk energi. Acceleratorn kallas för LHC (Large Hadron Collider). Den accelererar två protonstrålar till en energi på 7~TeV, eller \emph{teraelektronvolt} per proton, och låter sedan protonerna kollidera i mitten av en partikeldetektor. I dessa kollisioner skapas nya partiklar ur protonernas kinetiska energi. Detektorns uppgift är att mäta egenskaperna hos de partiklar som bildas. Exempel på sådana egenskaper är massa och elektrisk laddning. Genom att studera data från detektorn kan partikelfysiker bestämma huruvida några fenomen bortom Standardmodellen har ägt rum.



En viktig pusselbit i jakten på ny fysik är mätningen av protonstrålens \emph{luminositet}. Detta är ett mått på det totala antalet kollisioner som äger rum. Det är nämligen inte tillräckligt att bara \emph{observera} en ny typ av partikel --- Man vill även mäta hur ofta den produceras! Det är inte ovanligt att olika utökningar av Standardmodellen gör snarlika förutsägelser i detta avseende, eller har fria parametrar som gör att antalet producerade partiklar inte kan bestämmas i förväg. För att testa en modell jämförs den teoretiska sannolikheten (även känt som \emph{tvärsnittet}) för att producera en viss partikel med en experimentell mätning. Alla modeller som inte stämmer överens med den experimentella mätningen kan sedan uteslutas. För att mäta ett tvärsnitt divideras helt enkelt antalet kollisioner som gav upphov till partikeln i fråga med det totala antalet kollisioner --- Det vill säga luminositeten! Förmågan att mäta luminositet med hög precision är också viktig för att kunna göra meningsfulla simuleringar av experimentet. Innan en simulering kan jämföras med riktig data så måste antalet simulerade kollisioner normaliseras till antalet kollisioner som faktiskt ägt rum.



Denna avhandling beskriver den allra största partikeldetektorn vid LHC --- Det så kallade ATLAS-experimentet. Därefter diskuteras olika metoder för att mäta luminositeten i ATLAS med hjälp av en av experimentets subdetektorer vid namn LUCID. En metod använder data från protonstrålar som tagits under speciella förutsättningar, och korrigerar med hjälp av denna data för det icke-linjära beteende som observeras hos LUCID-detektorn vid höga luminositetsnivåer. En annan metod är baserad på att mäta den totala energin hos partiklarna som passerar genom LUCID. Denna energi visas vara proportionell mot luminositeten, och metoden visas ha vissa egenskaper som är att föredra framför mer konventionella metoder vad gäller mätningar när luminositeten är hög. Slutligen beskrivs en analys vars mål är att hitta två olika typer av supersymmetriska partiklar i de kollisioner som ägt rum inom ATLAS-detektorn. Inga nya partiklar observeras, och resultatet av analysen är därför gränsvärden på vilka modeller av supersymmetri som kan uteslutas.

• author: Floderus, Anders
• supervisor: Vincent Hedberg
• opponent: Mariotti, Chiara, INFN Torino
• organization: Particle and nuclear physics
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Subatomic Physics
• keywords: Electroweak, SUSY, Supersymmetry, Luminosity, LUCID, LHC, ATLAS, Slepton, Gaugino, Fysicumarkivet A:2014:Floderus
• pages: 182 pages
• defense location: Rydbergsalen, Fysicum
• defense date: 2015-01-30 10:00:00
• ISBN: 978-91-7623-129-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 940e7f9b-8ae9-48bf-9fc0-39e59ad2613d (old id 4858070)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:22:19
• date last changed: 2018-11-21 20:58:22