Αναζήτηση για τις ανώμαλες τριγραμμικές συζεύξεις βαθμίδας στο κανάλι Ζγ στο πείραμα CMS/LHC

Abstract

Η παρούσα εργασία πραγματεύεται την αναζήτηση για ανώμαλες τριγραμμικές συζεύξεις μποζονίων βαθμίδας στο πείραμα στοιχειωδών σωματιδίων \eng{CMS}, μέσω της τελικής κατάστασης με ένα μποζόνιο $Ζ$ και ένα φωτόνιο. Για την ανάπτυξη των μεθόδων χρησιμοποιήθηκαν προσομοιωμένα δείγματα, και ακολούθησε η ανάλυση δεδομένων από τις συγκρούσεις πρωτονίων στον επιταχυντή \eng{LHC} και ο καθορισμός επιτρεπτών τιμών για τις συζευξεις.

Μετά από μία σύντομη παρουσίαση του πειράματος, αναλύονται τα χαρακτηριστικά του σήματος από τις νέες συζεύξεις, το οποίο προέρχεται από κορυφή μεταξύ δύο μποζονίων $Ζ$ και ενός φωτονίου. Αναλύονται επίσης τα χαρακτηριστικά των υποβάθρων, τα οποία εμφανίζουν την ίδια τελική κατάσταση είτε μέσω διεργασιών εντός του Καθιερωμένου Προτύπου είτε λόγω λανθασμένης ταυτοποίησης. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η διαδικασία προσομοίωσης γεγονότων και ο γεννήτορας γεγονότων που αναπτύχθηκε για τη συγκεκριμένη ανάλυση. Ακολουθεί η συζήτηση της αλυσίδας κριτηρίων επιλογής των φυσικών αντικειμένων προς ανίχνευση, δηλαδή του φωτονίου και των ηλεκτρονίων και μιονίων από τη διάσπαση του μποζονίου $Ζ$. Για να αντιμετωπιστούν τα γεγονότα υποβάθρου που επιζούν των κριτηρίων επιλογής, αναπτύχθηκε μία τεχνική η οποία επιτρέπει την εκτίμηση του πλήθους τους χρησιμοποιώντας τη μέτρηση του καναλιού $Ζ\gamma$ και ενός δείγματος σκανδαλισμένου από αδρονικούς πίδακες. Γίνεται περιγραφή της τεχνικής, και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της ανάλυσης στα δεδομένα των μετρήσεων, χρησιμοποιώντας τα πρώτα $36.1\,\mathrm{pb}^{-1}$ από τις συγκρούσεις πρωτονίων.

Καθώς το πλήθος των γεγονότων είναι πολύ μικρό για άμεση ανίχνευση των πιθανών νέων συζεύξεων, πραγματοποιείται ανάλυση πιθανοφάνειας στην κατανομή της εγκάρσιας ενέργειας του φωτονίου. Χρησιμοποιώντας τα προσομοιωμένα δείγματα με ανώμαλες συζεύξεις, λαμβάνονται συναρτήσεις πρόβλεψης των οποίων η συμβατότητα με τη μέτρηση ελέγχεται, και μέσω μεγιστοποίησης της πιθανοφάνειας θέτονται όρια στις επιτρεπτές τιμές των συζεύξεων. Οι παρατηρήσεις βρέθηκαν συμβατές με το Καθιερωμένο Πρότυπο. Τα όρια που τέθηκαν στις τιμές μίας εκ των δύο συζεύξεων είναι στενότερα από εκείνα προηγούμενων πειραμάτων, ενώ για περιορισμό της δεύτερης απαιτείται μεγαλύτερος όγκος δεδομένων.

This study deals with the search for anomalous trilinear couplings between gauge bosons at the elementary particles experiment CMS, in the final state consisting of a $Z$ boson and a photon. Simulated datasets were used for the development of the methods, which was followed by the analysis of data from proton collisions at the LHC accelerator, and the specification of allowed values for the couplings.

A brief presentation of the experiment is followed by discussion about the characteristics of the signal from the new couplings, which occurs from a vertex involving two $Z$ bosons and one photon. The characteristics of the backgrounds are discussed as well; the backgrounds consist of the same final state as the signal, coming from either Standard Model processes or misidentification. After this, the simulation process is presented along with the event generator developed for the specific analysis. The chain of the selection criteria for the physics objects under detection is eventually discussed, namely the selection of photons and electrons and muons, as the latter two occur from the $Z$ boson's decay.

In order to deal with the background events which survive the selection, a technique was developed which permits the estimation of their number by using the measurement in the $Z\gamma$ channel and a dataset triggered by hadronic jets. The technique is discussed, and then the analysis results are presented as obtained with the first $36.1\,\mathrm{pb}^{-1}$ of proton collisions.

As the number of events is too low for a direct observation of any new couplings, a likelihood analysis is performed on the distribution of the photon transverse energy. Prediction functions are obtained by using the simulated datasets with anomalous couplings, and their compatibility with the measurement is examined. Finally, new limits are set on the possible values of the couplings through maximization of the likelihood.

The observation is compatible with the Standard Model. The limits on one of the two couplings are tighter than those from previous experiments, while more data are required for constraining the second one.