Observation of the associated production of a J/psi meson with a W boson in pp collisions at 8 TeV using the ATLAS detector

Abstract

In this thesis the observation of the rare associated particle production of a J/psi meson in association with a W boson is reported using 20.3 fb^-1 of data from proton-proton collisions at 8 TeV with the ATLAS detector. Currently, the way a J/psi meson is produced at the Large Hadron Collider is not well understood and there are competing theories to describe this production. In combination with this analysis, the observation of a J/psi meson in association with a Z boson, which is expected to have a lower production rate, is also done. A preliminary observation of the Z boson is done to familiarise with the analysis process. The Z boson reconstruction from the data is also compared with Monte Carlo simulation.

The observation of the particle productions are done using the dimuon decay channel for the Z boson and J/psi meson. The W boson is reconstructed from a muon and a neutrino using the events missing energy. A total of 171 event candidates from J/psi+W production and 13 from J/psi+Z production are reported.

Popular Abstract (Swedish)

Partikelfysik är läran om universums minsta beståndsdelar -- elementarpartiklar. Teorin som sammanfattar alla kända elementarpartiklar kallas Standardmodellen och förklarar även hur dessa partiklar växelverkar med varandra. Växelverkan sker genom den elektromagnetiska, starka och svaga kraften samt Higgs mekanismen som ansvarar för partiklarnas massa. Standardmodellen är en mycket framgångsrik teori och har motstått flera experimentella studier och har även förutspått existensen av nya partiklar innan de upptäckts experimentellt. Standardmodellen ger dock inte svar på alla fenomen. I nuläget så har man bland annat inte kunnat inkorporera gravitationskraften i teorin. Det finns även andra fenomen som inte heller kan förklaras av teorin som oftast brukar klassificeras som ny fysik. I dessa fall letar man efter experimentella signaturer till nya teorier som, till exempel, supersymmetri, som då skulle breda vår kunskap om elementarpartiklarna.

Experiment i partikelfysik utgörs främst genom att accelerera partiklar till en hög energi och kollidera dem med varandra. I händelse av en partikelkollision så växelverkar partiklarna med varandra och nya, utgående, partiklar är bestämda med en viss sannolikhet. De två viktigaste parametrarna i ett kollisionsexperiment är energin av de inkommande partiklarna och luminositeten.
%En hög energi är oftast ett krav om man vill se ny fysik eftersom teorin syftar på att nya partiklar har väldigt stor massa. Energi och massa är relaterade med varandra genom Einsteins kända massa-energi ekvivalens.
Luminositet är definierat som det totala antalet kollisioner som äger rum under en viss tid. Att maximera luminositeten i ett kollisionsexperiment är oftast viktigt eftersom alla partikelproduktioner sker med en viss sannolikhet. En del partikel produktioner är väldigt sällsynta och för att kunna bekräfta dess händelse från en experimental signatur måste man se flera sådana händelser för att avvisa resultatet från statistiska fluktuationer.

Världens största partikelaccelerator, som både uppnår högst kollisionsenergi och luminositet, kallas för LHC (Large Hadron Collider). Den byggdes i CERN-laboratoriet utanför Genève där den accelererar två protonstrålar i motsatt riktning up till en designenergi av 7 TeV (teraelektronvolt) per proton. Protonstrålen är uppdelad i bunches av cirka en miljard protoner. En kollision sker när två bunches överlappar och protoner växelverkar med varandra. LHC har flera konstruerade kollisionspunkter där utgående partiklar detekteras och dess parametrar omvandlas till elektroniska signaler och samlas ihop i dataset. Den största partikeldetektorn vid LHC är ATLAS-experimentet som är cylindrisk och har en bredd på 44m och en diameter på 25m.

I den här avhandlingen så observeras två sällsynta dubbel partikel produktioner med ATLAS detektorn i en kollisionsenergi på 8 TeV. Den första observationen består av en J/psi meson tillsammans med en Z boson från samma proton-proton kollision. En J/psi meson kan växelverka med andra partiklar genom den starka och svaga kraften och är ett bundet tillstånd av två elementarpartiklar. En Z boson ansvarar för den svaga kraftens växelverkan och utgör en intressant partikelproduktion i association med en J/psi meson. Den andra observationen som görs i denna avhandlingen är en J/psi meson tillsammans med en W boson som också ansvarar för den svaga kraftens växelverkan. Dessa två observationer kan ge en starkare insikt in i produktionsmekanismen av en J/psi meson vilket inte är fullt förstådd ännu.

I allmänhet så ser upptäckter av nya partiklar och dess växelverkan eller produktion inte någon direkt applikation till samhället utan framkommer mer genom spin-off teknologier. Detta är på grund av den experimentella partikelfysikens höga krav på teknologi som måste kunna tolka stora mängder data från partikelkollisioner. Den största spin-off tekniken som har sitt ursprung från partikelfysiksexperiment är den första webbläsaren och det så kallade World Wide Web.

• author: Lydahl, Rickard
• supervisor: Else Lytken
• organization: Department of Physics; Particle and nuclear physics
• course: FYSK02 20152
• year: 2016
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: ATLAS, LHC, J/psi meson, Z boson, W boson, particle production
• language: English
• id: 8560973
• date added to LUP: 2016-01-21 20:36:27
• date last changed: 2016-01-22 12:29:58