A Search for Indications of Majorana Neutrinos in Same-sign Dimuon Events at the ATLAS Detector

Abstract

Abstract The current Standard Model cannot explain many properties of the neutrino, including its mass. Models exist where a postulated heavy Majorana neutrino will give rise to the observed small neutrino mass currently observed. This thesis presents a search for indications of Majorana neutrinos with focus on finding heavy neutrinos and W_R-bosons predicted by the Left-Right Symmetric Model. Proton-proton collision data collected by the ATLAS detector in 2012 is used, with an integrated luminosity of 0.84 inverse femtobarn at a center-of-mass energy of 8 TeV. The main analysis channel consists of a final state with two same-sign muons and two quarks with high transverse momentum and low missing transverse energy. Due to insufficient data and a lacking Standard Model background analysis no clear conclusion is drawn regarding the particle nature of the neutrino nor the existence of new particles. The general analysis framework this thesis provides could however be of use for further studies in the same field.

Popular Abstract (Swedish)

Frågan om vad världen egentligen består av har sysselsatt filosofer och vetenskapsmän i århundraden, och svaren har varit allt från de fyra elementen till atomer. När atomen delades i början av 1900-talet samtidigt som fler och fler nya slags partiklar observerades växte partikelfysiken fram. Partikelfysik är studien av de minsta beståndsdelarna i universum, de så kallade elementarpartiklarna. Teorin som beskriver dessa och hur de påverkar varandra kallas standardmodellen och har visat sig vara oerhört bra på att beskriva verkligheten. Dess stora ögonblick var när Higgspartikeln, en partikel som varit teoretisk förutsagt av standardmodellen sedan länge, hittades 2012. Ett antal frågor består dock som standardmodellen i sin nuvarande form inte kan besvara. Dessa inkluderar vad som döljer sig bakom de mystiska begreppen mörk materia och mörk energi, samt hur man kan kombinera gravitationen med de övriga krafterna som påverkar partiklarna.

Ett annat problem gäller neutrinon, en elementarpartiklen som visat sig vara svår att förstå sig på. Jämfört med de flesta elementarpartiklar saknar neutrinon elektrisk laddning, vilket innebär att det är väldigt liten sannolikhet för den att växelverka med andra partiklar. Även om den inte är ovanlig är den nästintill osynlig: Varje ögonblick passar miljontals neutrinos genom oss utan att vi märker av någonting. Även om man på senare tid har lyckats med konststycket att bygga tillförlitliga neutrinodetektorer så är dess beteende fortfarande spöklikt, vilket gör att många av dess egenskaper fortfarande är okända. Vad man däremot vet är att den har massa, även om denna massa är mycket mindre än massan för de andra elementarpartiklarna. Detta är ett stort problem för standardmodellen då dess nuvarande formulering förutsätter att neutrinon är masslös.

Varje elementarpartikel har en motsvarande antipartikel, men unikt för neutrinon är att det finns en möjlighet att den saknar en antipartikel. En partikel som inte har en motsvarande antipartikel kallas en Majoranapartikel. Det går att visa att om det finns Majorananeutrinos så kan det innebära att de neutrinos vi observerar har massa. Det är därmed viktigt att ta reda på om neutrinon är en Majoranapartikel eller inte. Trots att neutrinon är svår att observera direkt finns det sätt att undersöka detta genom att använda partikelacceleratorer. Genom att skjuta partiklar i väldigt höga hastigheter mot varandra möjliggör man interaktioner som inte är möjliga vid vanliga, låga energier. Genom att analysera vilka partiklar som bildas vid en partikelkollision och hur de rör sig kan man dra slutsatser om hur de fundamentala krafterna fungerar och vilka egenskaper de olika elementarpartiklarna har.

Syftet med denna uppsatts är att leta efter Majorananeutrinos genom att använda kollisionsdata insamlat av ATLAS-detektorn vid LHC (Large Hadron Collider). I LHC kollideras två protoner i enorma hastigheter, vilket resulterar i stora mängder olika partiklar skapas. Majorananeutrinos borde ge upphov till att vissa partiklar skapas i kombination med varandra, och om dessa kombinationer observeras i högre grad än förväntat är det en tecken på att neutrinon är en Majoranapartikel. Att beräkna vilka kombinationer som är förväntade är dock komplicerat att göra korrekt. Det resultat som presenteras är därmed svårt att tolka, men väldigt få händelser som matchade Majorananeutrinos observerades och alla kunde förklaras av andra processer. Det är därför troligt att inga indikationer på Majorananeutrinos observeras. Själva metoden som användes vid analysen fungerade däremot bra, och att göra en liknande studie vid högre acceleratorenergier är både möjligt och intressant.

• author: Arnling Bååth, Simon
• supervisor: Else Lytken
• organization: Department of Physics; Particle and nuclear physics
• course: FYSK01 20141
• year: 2014
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Majorana Neutrino, ATLAS, Dimuon, Neutrino, LRSM
• language: English
• id: 4813170
• date added to LUP: 2014-11-27 15:08:04
• date last changed: 2016-11-15 13:43:22