Searching for Dark Photons with Jet
(2020) FYTK02 20201Theoretical Particle Physics - Undergoing reorganization
- Abstract
- Dark matter is the greatest mystery of modern particle physics and cosmology. Although an overwhelming amount of observational cosmological evidence has pointed towards a dark sector, only its gravitational effect has been experimentally confirmed. Currently, no other properties of dark matter are known, including its mass, interactions else than gravitational and potential mediators between dark matter and the particles of the Standard Model. In recent time, the idea of probing dark matter in the sub-GeV mass region with an electromagnetic coupling has become increasingly popular. In this paper, a simplified light dark matter model is adapted as a toy model. We investigate lepton jets as a promising signature for the U(1)_D dark photon... (More)
- Dark matter is the greatest mystery of modern particle physics and cosmology. Although an overwhelming amount of observational cosmological evidence has pointed towards a dark sector, only its gravitational effect has been experimentally confirmed. Currently, no other properties of dark matter are known, including its mass, interactions else than gravitational and potential mediators between dark matter and the particles of the Standard Model. In recent time, the idea of probing dark matter in the sub-GeV mass region with an electromagnetic coupling has become increasingly popular. In this paper, a simplified light dark matter model is adapted as a toy model. We investigate lepton jets as a promising signature for the U(1)_D dark photon mediator $A'$, using an off-the-shelf search strategy widely used by experimentalists at the Large Hadron Collider. At this collider, the O(GeV) dark boson decays into a pair of leptons, which further go on to creating a leptonic jet signature. The thesis is begun by a study of the dark photon decay kinematics using truth distributions. The kinematical study looks for effective methods to distinguish signal from background by observing the characteristic energy, spatial and momentum distributions of signal leptons. This is followed by a jet substructure analysis including jet filtering, mass drop tagging and sub-jet correlations, where we conclude that the applied off-the-shelf analysis is not as efficient in isolating the dark photon signal as originally considered. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Standardmodellen är teorin som beskriver tre utav de fyra fundamentala naturkrafterna, och Standardmodellens komplettering har hittills varit partikelfysikens största prestation. Modellen integrerar fysikens mest elementära partiklar och deras interaktioner till en och samma teori. Den kan exempelvis beskriva universums tillstånd en kort stund efter den stora smällen, eller varför protonen inte kan sönderfalla. Däremot kan den inte förklara varför partiklarna har de massorna some de har, eller vad mörk materia är. Därav kan Standardmodellen inte betraktas som en komplett teori, och därmed har sökandet börjat för fysik bortom Standardmodellen.
Trots den stora mängden bevis från kosmologiska observationer, har forskare inget konkret svar... (More) - Standardmodellen är teorin som beskriver tre utav de fyra fundamentala naturkrafterna, och Standardmodellens komplettering har hittills varit partikelfysikens största prestation. Modellen integrerar fysikens mest elementära partiklar och deras interaktioner till en och samma teori. Den kan exempelvis beskriva universums tillstånd en kort stund efter den stora smällen, eller varför protonen inte kan sönderfalla. Däremot kan den inte förklara varför partiklarna har de massorna some de har, eller vad mörk materia är. Därav kan Standardmodellen inte betraktas som en komplett teori, och därmed har sökandet börjat för fysik bortom Standardmodellen.
Trots den stora mängden bevis från kosmologiska observationer, har forskare inget konkret svar på vad mörk materia är. De vanligaste förekommande modeller tyder på svagt interagerande massiva partiklar. Däremot har sökandet för dessa hittills varit utan framgång, vilket har fått forskarna att vända sig till andra modeller. En sådan modell är lättare mörk materia med en svag koppling till Standardmodellens foton.
I denna studie antar vi en väldigt förenklad bild av lätt mörk materia och introducerar en hypotetisk lätt mörk partikel, kallad för en "mörk foton". På grund av kopplingen mellan den mörka fotonen och Standardmodellen, kan den mörka fotonen sönderfalla till de kända elementarpartiklarna, och kan på så sätt detekteras experimentellt. Däremot är signalen väldigt otydlig på grund av den stora mängden bakgrund orsakad av växelverkan mellan andra partiklar. I detta projekt studerar vi dynamiken av sönderfallet av den mörka fotonen, samt utvecklar bakgrunds-reducerande metoder för att extrahera den gömda signalen. De bakgrunds-reducerande metoderna baseras på en strategi som använts i stor utsträckning av forskare på den experimentella sidan, och målet med studien är att undersöka strategins effektivitet i att extrahera signalen från mörk materia. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9027553
- author
- Kamal, Ashar Ahmed LU
- supervisor
- organization
- course
- FYTK02 20201
- year
- 2020
- type
- M2 - Bachelor Degree
- subject
- keywords
- light dark matter, jet substructure
- language
- English
- id
- 9027553
- date added to LUP
- 2020-11-20 11:08:34
- date last changed
- 2020-11-20 11:08:34
@misc{9027553,
abstract = {{Dark matter is the greatest mystery of modern particle physics and cosmology. Although an overwhelming amount of observational cosmological evidence has pointed towards a dark sector, only its gravitational effect has been experimentally confirmed. Currently, no other properties of dark matter are known, including its mass, interactions else than gravitational and potential mediators between dark matter and the particles of the Standard Model. In recent time, the idea of probing dark matter in the sub-GeV mass region with an electromagnetic coupling has become increasingly popular. In this paper, a simplified light dark matter model is adapted as a toy model. We investigate lepton jets as a promising signature for the U(1)_D dark photon mediator $A'$, using an off-the-shelf search strategy widely used by experimentalists at the Large Hadron Collider. At this collider, the O(GeV) dark boson decays into a pair of leptons, which further go on to creating a leptonic jet signature. The thesis is begun by a study of the dark photon decay kinematics using truth distributions. The kinematical study looks for effective methods to distinguish signal from background by observing the characteristic energy, spatial and momentum distributions of signal leptons. This is followed by a jet substructure analysis including jet filtering, mass drop tagging and sub-jet correlations, where we conclude that the applied off-the-shelf analysis is not as efficient in isolating the dark photon signal as originally considered.}},
author = {{Kamal, Ashar Ahmed}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Searching for Dark Photons with Jet}},
year = {{2020}},
}