Έρευνα για Υπερσυμμετρία με το πείραμα CMS σε τελικές καταστάσεις φωτονίων, πιδάκων και εγκάρσιας ελλείπουσας ενέργειας και ανάπτυξη οργανολογίας για τα πειράματα του LHC

Abstract

Το Καθιερωμένο Πρότυπο (ΚΠ) -Standard Model- της σωματιδιακής φυσικής έχει προκύψει μέσα από διαχρονικές επιτυχίες της πειραματικής και θεωρητικής φυσικής στην περιγραφή της πολυπλοκότητας που μας περιβάλλει, χρησιμοποιώντας θεμελιώδη σωματίδια και αλληλεπιδράσεις. Αποτελεί τη συμπαγή διατύπωση μιας σειράς θεωριών οι οποίες ερμηνεύουν και περιγράφουν τη συμπεριφορά της ύλης σε επίπεδο στοιχειωδών σωματιδίων. Οι προβλέψεις του είναι μεγάλης σημασίας καθώς πολλά σωματίδια ανακαλύφθηκαν μετά την πρόβλεψή τους. Εξακολουθεί να παραμένει το πιο ολοκληρωμένο μοντέλο που συμβάλλει στην κατανόηση του σύμπαντός μας. Περιγράφει τις τρεις από τις τέσσερις γνωστές θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων, την ηλεκτρομαγνητική, την ασθενή και την ισχυρή αλληλεπίδραση, στα πλαίσια μιας θεωρίας κβαντικών πεδίων της οποίας η θεμελιώδης ποσότητα (Lagrangian) είναι αναλλοίωτη κάτω από μια κατηγορία συνεχών τοπικών μετασχηματισμών (Gauge Theory). Δεν συμβαίνει όμως το ίδιο και με τη βαρυτική αλληλεπίδραση. Παράλληλα η συμμετρία βαθμίδας στην οποία στηρίζεται το ΚΠ, έχει ένα αναπάντητο ερώτημα: "Γιατί τα στοιχειώδη σωματίδια φέρουν μάζα;". Το ΚΠ στηρίζεται σε μια θεωρία βαθμίδας (gauge group theory) η οποία απαγορεύει την ύπαρξη μάζας σε όλα τα σωματίδια. Η εισαγωγή του μηχανισμού Higgs στο ΚΠ, δίνει μάζες στα διανυσματικά μποζόνια (Vector Bosons: W, Z) καθώς επίσης και σε ολόκληρο το φάσμα των στοιχειωδών σωματιδίων, ενώ παράλληλα αφήνει το φωτόνιο χωρίς μάζα. Παρά το γεγονός ότι πρόκειται για μια πολύ κομψή θεωρία, το σωματίδιο αυτό δεν έχει ακόμα επιβεβαιωθεί (αν και η τελευταία ανακοίνωση της 4ης Ιουλίου 2012 στο CERN μιλά για ένα καινούριο μποζόνιο με ιδιότητες παρόμοιες του σωματιδίου Higgs) και παραμένει ως το πιο συναρπαστικό κίνητρo για τα πείραματα του LHC. Ακόμη και αν τελικά επιβεβαιωθεί η ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs, το Καθιερωμένο Πρότυπο πιστεύεται ότι αποτελεί απλά ένα μέρος της ευρύτερης εικόνας. Aπέχει από το να χαρακτηριστεί ως μια πλήρης θεωρία των θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων, διότι δεν περιλαμβάνει τη φυσική της σκοτεινής ύλης και ενέργειας, ούτε την πλήρη θεωρία της βαρύτητας, όπως περιγράφεται από τη γενική σχετικότητα. Η θεωρία δεν περιέχει οποιοδήποτε βιώσιμο σωματίδιο σκοτεινής ύλης, που να διαθέτει όλες τις απαιτούμενες ιδιότητες, όπως συνάγονται από την παρατηρησιακή κοσμολογία. Επίσης, δεν αντιπροσωπεύει σωστά τις ταλαντώσεις των νετρίνων (και των μη μηδενικών μαζών τους). Παρά το γεγονός ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο πιστεύεται ότι είναι θεωρητικά αυτο-συνεπές, έχει αρκετές αφύσικες ιδιότητες που δημιουργούν γρίφους, όπως το πρόβλημα της ιεραρχίας (hierarchy problem). Εντούτοις το ΚΠ είναι πολύ σημαντικό εξίσου για τη θεωρητική όσο και για την πειραματική σωματιδιακή φυσική. Οι θεωρητικοί το χρησιμοποιούν ως βάση για το σχεδιασμό πιο εξωτικών μοντέλων που εμπεριέχουν υποθετικά σωματίδια, επιπλέον διαστάσεις και πραγματεύονται συμμετρίες (όπως για παράδειγμα την Υπερσυμμετρία) σε μια προσπάθεια να ερμηνεύσουν πειραματικές παρατηρήσεις που δεν ερμηνεύονται από το Καθιερωμένο Πρότυπο, όπως για παράδειγμα η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης και ενέργειας και οι ταλαντώσεις των νετρίνων. Από την αντίπερα όχθη, οι πειραματικοί φυσικοί, έχουν ενσωματώσει το ΚΠ σε προσομοιωτές ώστε να ερευνήσουν τη φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Παράλληλα το ΚΠ ελέγχεται εξονυχιστικά από τους πειραματικούς σε διάφορες ενέργειες και πειράματα.

Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (Large Hadron Collider, LHC), χτίστηκε στο Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Πυρηνικής Έρευνας (CERN) στη Γενεύη, και θα λειτουργήσει σε ενέργεια κέντρου μάζας έως 14 TeV, ώστε να δώσει τη δυνατότητα διερεύνησης και επιβεβαίωσης θεμελιωδών θεωριών των στοιχειωδών σωματιδίων. Τα αποτελέσματα από προηγούμενα πειράματα καθώς επίσης και οι νέες θεωρητικές προβλέψεις συνηγορούν στη νέα γενιά πειραμάτων. Η μελέτη ενεργειακών κλιμάκων μιας πιθανής νέας φυσικής μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη δημιουργία επιταχυντών υψηλής ενέργειας και φωτεινότητας για τη συλλογή όσο το δυνατόν περισσότερων ενδιαφέροντων γεγονότων ως προς τη μελέτη της νέας φυσικής. Ο LHC αποτελεί το εργαλείο για την αναζήτηση του σωματιδίου Higgs καθώς και για τη μελέτη της δομής της ύλης στη μικρότερη κλίμακα που έχει επιτευχθεί μέχρι σήμερα. Ένας από τους δύο ανιχνευτές γενικού ενδιαφέροντος στον LHC είναι το Συμπαγές Σωληνοειδές Μιονίων (Compact Muon Solenoid, CMS) και η διατριβή αυτή βασίζεται στην ανάλυση των δεδομένων που συλλέγονται από τον ανιχνευτή αυτό.

Η πιο δημοφιλής επέκταση του ΚΠ είναι η Υπερσυμμετρία (Supersymmetry, SUSY). Διπλασιάζει τον αριθμό των σωματιδίων, προβλέποντας υπερσυμμετρικά σωματίδια για κάθε ένα από τα σωματίδια του ΚΠ, και μπορεί να λύσει πολλά από τα προβλήματα του ΚΠ με ένα κομψό τρόπο. Η συγκεκριμένη διατριβή παρουσιάζει έρευνα για Υπερσυμμετρία, η οποία βασίζεται στη θεωρία General Gauge-Mediation (GGM), σε τελικές καταστάσεις με φωτόνια, πίδακες αδρονίων και ελλείπουσα εγκάρσια ενέργεια (Emiss ) που παράγονται σε γεγονότα που προέρχονται από συγκρούσεις πρωτονίων (pp) με ενέργεια κέντρου μάζας ίση με 7 TeV. Αυτή είναι μια πολύ προσιτή πειραματική υπογραφή (ή κανάλι όπως αλλιώς ονομάζεται), διότι τα φωτόνια μπορούν να προσδιοριστούν με υψηλή απόδοση και καθαρότητα στα πειράματα επιταχυντών. Ένας πρόσθετος παράγοντας είναι ότι σε περίπτωση μεγάλης ελλείπουσας εγκάρσιας ενέργειας, όπως αναμένεται από τις διάφορες Υπερσυμμετρικές θεωρίες, τα υπόβαθρα που προέρχονται από το Καθιερωμένο Πρότυπο μειώνονται αισθητά, σε σχέση με πιθανά σήματα από Υπερσυμμετρικά μοντέλα.

Στο Κεφάλαιο 1, περιγράφεται το Καθιερωμένο Πρότυπο και η θεωρία της Υπερσυμμετρίας και στη συνέχεια ακολουθεί σύντομη περιγραφή του LHC και του πειράματος CMS (Κεφάλαιο 2) δίνοντας έμφαση στην περιγραφή του προσομοιωτή του συστήματος σκανδαλισμού (Global Trigger Processor emulator), σύστημα το οποίο αναπτύχθηκε και ελέχθηκε στο Ινστιτούτο Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής του ΕΚΕΦΕ "Δημόκριτος". Στο Κεφάλαιο 3 παρατίθεται περίληψη της ιστορίας των ανιχνευτών αερίων και της αρχής λειτουργίας τους, με ιδιαίτερη έμφαση στον ανιχνευτή micromegas και τη δυνατότητά του να χρησιμοποιηθεί στην αναβάθμιση του LHC. Ακολούθως (Κεφάλαιο 4) παρουσιάζονται λεπτομέρειες σχετικά με την προσομοίωση γεγονότων τα οποία και χρησιμοποιούνται για το έλεγχο της μεθόδου που περιγράφεται στη διατριβή αυτή και η οποία αφορά την ανάδειξη της παρουσίας σήματος Υπερσυμμετρικών Σωματιδίων ως προς το υπόβαθρο. Στο Κεφάλαιο 5 γίνεται η περιγραφή των αντικειμένων (object definition) που χρησιμοποιούνται στη συγκεκριμένη ανάλυση καθώς επίσης και η διαδικασία επιλογής των υποψήφιων γεγονότων. Αμέσως μετά περιγράφεται η μεθοδολογία προσδιορισμού του υποβάθρου μαζί με ελέγχους για την επιβεβαίωση της εγκυρότητας της μεθόδου (Monte Carlo closure tests) και φυσικά ακολουθεί η παρουσίαση των αποτελεσμάτων της μεθόδου χρησιμοποιώντας δεδομένα που συλλέχθηκαν από τον ανιχνευτή CMS (Κεφάλαιο 7). Η διατριβή ολοκληρώνεται συνοψίζοντας τα αποτελέσματα. Επιπροσθέτως, στο τέλος επισυνάπτονται παραρτήματα σχετικά με συγκριτικές μελέτες διαφόρων ποσοτήτων όπως η ορμή των φωτονίων, για δεδομένα που προέρχονται από προσομοίωση (MC) και από αληθινά γεγονότα (Παράρτημα Α). Ακολουθεί σχηματική αναπαράσταση (event display) των πιο ενδιαφέροντων γεγονότων στο Παράρτημα Β, ενώ στο επόμενο γίνεται αναφορά στα φίλτρα που χρησιμοποιηθήκαν προκειμένου να απομακρυνθούν τα προβληματικά γεγονότα από τη λίστα των γεγονότων που μελετήθηκαν. Στο τελευταίο παράρτημα παρουσιάζεται μία μελέτη που πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια αυτής της διατριβής και που αφορά την εύρεση αλγορίθμου για την διόρθωση της ενέργειας των προβληματικών κρυστάλλων του ηλεκτρομαγνητικού θερμιδομέτρου του ανιχνευτή CMS.

The Standard Model (SM) of particle physics has emerged through tremendous successes of experimental and theoretical physics to describe the complexity around us with fundamental particles and interactions. It has been precise in its predictions, as many particles were discovered after they were predicted by the SM. It still remains the most complete model that gives us an understanding of our universe, even though it is far from being a complete theory. SM is based on gauge symmetry with a problem still remaining to solve: “Why the elementary particles carry mass?”. The gauge group theory on which SM is based forbids masses for all particles. The Higgs mechanism was introduced in the SM to provide masses to the Vector Bosons (W, Z) and the whole spectrum of the elementary particles as part of their interaction while keeping the photon massless. Although it is a very elegant theory, the Higgs particle has not yet been confirmed with the past and current high energy physics experiments and it remains as the most exciting motivation of the LHC collider experiments. Nevertheless, recent results of the LHC experiments, point to the observation of a boson likely to be the Higgs. Even if the Higgs particle is found, SM is believed to be only a fraction of the big picture. There are strong indications of new symmetries, new particles and new theories that try to unify fundamental laws including gravity, and all need to have experimental observations from the new generation collider experiments. It falls short of being a complete theory of fundamental interactions because it incorporate the physics of only 4\% of the universe leaving aside the dark matter and the dark energy while in addition gravity remains outside this framework. The theory does not contain any viable dark matter particle that possesses all of the required properties deduced from observational cosmology. It also does not correctly account for neutrino oscillations (and their non-zero masses). Although the Standard Model is believed to be theoretically self-consistent, it has several apparently unnatural properties giving rise to puzzles like the strong CP problem and the hierarchy problem.

Nevertheless, the SM is important to theoretical and experimental particle physicists alike. For theorists, it is used as a basis for building more exotic models that incorporate hypothetical particles, extra dimensions, and elaborate symmetries (such as supersymmetry) in an attempt to explain experimental results at variance with the Standard Model, such as the existence of dark matter and neutrino oscillations. On the other hand, experimenters have incorporated the Standard Model into simulators to help search for new physics beyond the Standard Model.

The Large Hadron Collider (LHC) was built at the European Organization for Nuclear Search (CERN) in Geneva, in order to access the energy at which the more fundamental theory can be revealed. The results from past experiments and new theoretical predictions imply the new generation of colliders. To probe the energy scales of possible new physics one has to build accelerators with high energies and high luminosities to collide particles harder and collect as much as possible events of the interesting process. Although the experience to measure mass values, jets and missing energy from the past experiments is very useful, there are challenges that new collider projects has to be aware of. The collision rate in LHC is very high and in the collision environment there are more secondary particles to deal with from each collision. These facts require more sophisticated selection devices and algorithms and fast processing (data acquisition). The LHC project with its detectors, is being built to fulfil these requirements. One of the two multi purpose detectors at the LHC is the Compact Muon Solenoid (CMS) and this thesis is based on the analysis of the data taken from this experiment. The most favored extension to the SM is supersymmetry (SUSY). It doubles the number of particles by predicting a supersymmetric partner to all SM particles, but can solve many problems of the SM in an elegant way. There are different possibilities in which SUSY can be realized. This thesis presents an analysis to find supersymmetry, which is based on general concepts of General Gauge-Mediation (GGM) SUSY scenarios for the symmetry breaking, in the photon(s)+jets+missing transverse energy (\MET) final state produced by events in 7~TeV pp interactions. This is an experimentally well accessible channel since photons can be identified with high efficiency and purity at the collider experiments. Additionally, in SUSY scenarios, we expect events with missing transverse energy, thus largely suppressing the Standard Model backgrounds.

In Chapter 1 there's an introduction to SM and SUSY, followed by a brief overview of the LHC and the CMS experiment (Chapter 2) with a special reference on the trigger system and more specifically on the global trigger processor emulator; an apparatus designed, developed and tested at N.C.S.R. Demokritos. In Chapter 3 there's a summary of the gaseous detectors history and principles with emphasis on the micromegas detector along with its possible use in the upgrade of LHC. Afterwards (Chapter 4) there are details about the event simulation used for validity tests of the novel method described here, to establish the presence of the signal over background. Chapter 5 has a presentation of the objects definition and the relevant event selection while in Chapter 6 there is a presentation of the background estimation method along with tests of the method's validity using simulated events (Monte Carlo closure tests), followed by the relevant results of the method's application on the data collected by the CMS detector [7]. The thesis will finish with a synopsis including conclusions and outlook. Additionally in the Appendixes can be found comparison plots between data and MC (Appendix A), event displays from the most interesting events in Appendix B, along with a short review of the filters used for the analysis procedure (Appendix C), and lastly a description of our study on the energy recovery of the Dead Channels of the Electromagnetic Calorimeter in CMS (Appendix D).