Advanced

Optimization of a search for doubly-charged Higgs bosons in same-sign di-muon final states at a center of mass energy of 8 TeV with the ATLAS detector.

Vesterbacka Olsson, Leonora LU (2015) FYSM31 20151
Particle Physics
Department of Physics
Abstract
In this thesis an optimization of a previously performed inclusive search for beyond Standard Model Physics in same-sign di-lepton final states is performed, but tuned for a doubly-charged Higgs boson decaying to same-sign di-muons. The doubly-charged Higgs boson is a proposed fundamental particle whose existence would provide evidence for theoretical extensions of the Standard Model (SM) of particle physics. The aim of the optimization is to see whether one can improve on the sensitivity on the mass limits set by previously performed searches for doubly-charged Higgs bosons with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. Assuming a branching of 100% for a decay into two leptons with the same charge provides a clean... (More)
In this thesis an optimization of a previously performed inclusive search for beyond Standard Model Physics in same-sign di-lepton final states is performed, but tuned for a doubly-charged Higgs boson decaying to same-sign di-muons. The doubly-charged Higgs boson is a proposed fundamental particle whose existence would provide evidence for theoretical extensions of the Standard Model (SM) of particle physics. The aim of the optimization is to see whether one can improve on the sensitivity on the mass limits set by previously performed searches for doubly-charged Higgs bosons with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. Assuming a branching of 100% for a decay into two leptons with the same charge provides a clean signal that can be distinguished from ordinary SM background processes. I examine different variables such as leading muon transverse momentum, azimuthal angular difference and invariant mass of the muon pair, where the signal and background yields differ and make a selection (a cut) on these variables. The aim of the selection is to reduce the SM background while keeping the signal i.e. to maximize the significance. The analysis is done using 20.3fb^-1 of proton-proton collisions recorded at a center of mass energy of 8 TeV with the ATLAS detector at the LHC in 2012. Five different signal regions are examined, corresponding to mass points of m=150 GeV, m=300 GeV, m=500 GeV, m=600 GeV and m=1000 GeV. The results contain a presentation of the selected cuts, their efficiency, the obtained significances and the results when applying the cuts to real data. Finally, the necessity of the cuts is evaluated by comparing the obtained significances in the different cases where all, some or none of the cuts were applied. The results show that the significances can be greatly improved by applying the optimized cuts on certain variables. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Standardmodellen inom partikefysik är den modell som för nuvarande bäst beskriver universums minsta beståndsdelar, och de fundamentala krafterna som verkar mellan dessa. De fyra fundamentala krafterna är den elektromagnetiska, den starka, den svaga och gravitationen (som dessvärre inte kan beskrivas med hjälp av Standardmodellen). Dessa krafter kan ses som kraftförmedlarpartiklar som växelverkar mellan beståndsdelar av den kända materian. Den kända materian kan delas in i grupper bestående av kvarkar, såsom till exempel upp- och nerkvarkar som tillsammans med den starka kraftens kraftförmedlare utgör protonen, och leptoner såsom till exempel elektronen. Standardmodellen är en teori som är välbeprövad, den har blivit experimentiellt testad... (More)
Standardmodellen inom partikefysik är den modell som för nuvarande bäst beskriver universums minsta beståndsdelar, och de fundamentala krafterna som verkar mellan dessa. De fyra fundamentala krafterna är den elektromagnetiska, den starka, den svaga och gravitationen (som dessvärre inte kan beskrivas med hjälp av Standardmodellen). Dessa krafter kan ses som kraftförmedlarpartiklar som växelverkar mellan beståndsdelar av den kända materian. Den kända materian kan delas in i grupper bestående av kvarkar, såsom till exempel upp- och nerkvarkar som tillsammans med den starka kraftens kraftförmedlare utgör protonen, och leptoner såsom till exempel elektronen. Standardmodellen är en teori som är välbeprövad, den har blivit experimentiellt testad till hög precision på partikelfysiklaboratorier såsom CERN sedan 1950-talet. Den senaste framgången för Standardmodellen var upptäckandet av Higgsbosonen under 2012, en partikel som var introducerad på 1960-talet för att beskriva hur partiklar får massa. Trots att Standardmodellen har haft mycket framgång, är den inte en komplett teori, den kan till exempel inte förklara vad mörk energi och mörk materia är och vad gravitationen egentligen är. Det finns en öppen fråga inom Standardmodellen idag om varför neutriner, en typ av leptoner, har massa. Standardmodellen förutser ingen massa för dessa partiklar, men experiment har visat att neutriner faktiskt har en väldigt liten massa. För att förklara detta fenomen finns teoretiska förlängningar av Standardmodellen som ännu inte blivit experimentiellt testade. Några sådana modeller förutser en dubbelt laddad Higgsboson, som för tillfället letas efter på partikelfysiklaboratoriet CERN, där man kolliderar protoner vid hastigheter som närmar sig ljusets för att producera nya partiklar, vid den stora hadron kollideraren LHC. I denna uppsats har jag använt data från dessa proton-protonkollisioner som samlades in under 2012 med ATLAS-detektorn, en av de fyra detektorerena vid LHC som letar efter ny fysik. Syftet med uppsatsen var att göra en optimering av en tidigare utförd allmän sökning efter nya pariklar som förutses i teoretiska förlängningar av Standardmodellen, men specificerad för en dubbelt laddad Higgsboson. Genom optimeringen som jag utförde kunde jag dra slutsatser om detektionsutsikterna för en sådan dubbelt laddad Higgs boson vid LHC. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Vesterbacka Olsson, Leonora LU
supervisor
organization
course
FYSM31 20151
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Same-sign di-leptons, Beyond Standard Model, Doubly-charged Higgs boson, ATLAS
language
English
id
7512584
date added to LUP
2015-07-19 09:24:01
date last changed
2015-07-19 09:24:01
@misc{7512584,
  abstract     = {In this thesis an optimization of a previously performed inclusive search for beyond Standard Model Physics in same-sign di-lepton final states is performed, but tuned for a doubly-charged Higgs boson decaying to same-sign di-muons. The doubly-charged Higgs boson is a proposed fundamental particle whose existence would provide evidence for theoretical extensions of the Standard Model (SM) of particle physics. The aim of the optimization is to see whether one can improve on the sensitivity on the mass limits set by previously performed searches for doubly-charged Higgs bosons with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. Assuming a branching of 100% for a decay into two leptons with the same charge provides a clean signal that can be distinguished from ordinary SM background processes. I examine different variables such as leading muon transverse momentum, azimuthal angular difference and invariant mass of the muon pair, where the signal and background yields differ and make a selection (a cut) on these variables. The aim of the selection is to reduce the SM background while keeping the signal i.e. to maximize the significance. The analysis is done using 20.3fb^-1 of proton-proton collisions recorded at a center of mass energy of 8 TeV with the ATLAS detector at the LHC in 2012. Five different signal regions are examined, corresponding to mass points of m=150 GeV, m=300 GeV, m=500 GeV, m=600 GeV and m=1000 GeV. The results contain a presentation of the selected cuts, their efficiency, the obtained significances and the results when applying the cuts to real data. Finally, the necessity of the cuts is evaluated by comparing the obtained significances in the different cases where all, some or none of the cuts were applied. The results show that the significances can be greatly improved by applying the optimized cuts on certain variables.},
  author       = {Vesterbacka Olsson, Leonora},
  keyword      = {Same-sign di-leptons,Beyond Standard Model,Doubly-charged Higgs boson,ATLAS},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Optimization of a search for doubly-charged Higgs bosons in same-sign di-muon final states at a center of mass energy of 8 TeV with the ATLAS detector.},
  year         = {2015},
}