Search for new heavy, charged gauge bosons with the ATLAS detector

Abstract

The subject of this thesis is the search for new charged bosons beyond the predictions of the Standard Model. The existence of new heavy charged vector bosons is investigated in events containing a muon and neutrino pair. Neutrinos are observed indirectly via the presence of high missing transverse energy. We analyze data from proton-proton collisions at center of mass energy of 8 TeV, collected by the ATLAS detector during the operation of the Large Hadron Collider in the years 2011-2012, corresponding to an overall luminosity of20.3 fb-1.Two main new-physics scenarios are investigated: The first new-physics scenario that is considered in this thesis is the Sequential Standard Model (SSM). This model proposes the existence of additional heavy gauge bosons, of which the charged ones are commonly denoted as W′. The W′ has the same couplings to fermions as the Standard Model W boson and a width that increases linearly with the W′ mass.The second new-physics scenario that is considered proposes the existence of charged partners, denotedW*, an excited state of the Standard Model W boson. The anomalous (magnetic-moment type) coupling of the W* leads to kinematic distributions significantly different from those of the W′.Α strict data event selection is applied in order to reduce the background, which comes mainly from W boson decays. All background sources were simulated, except the multijet background, which was estimated from the experimental data. Finally, all sources of systematic uncertainty are carefully evaluated.The analysis of data showed that the number of events observed is consistent with the number of background events expected, so there is no evidence for the existence of new, heavy charged gauge bosons. Therefore, limits are set to the σ * B (cross-section * branching ratio) for W 'and W * in the mass range of 0.5 - 4 TeV.In the analysis presented in this thesis, the limits are considerably improved in the region covered by the previous search.

Πολλά μοντέλα φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο προβλέπουν την ύπαρξη νέων βαρέων φορτισμένων διανυσματικών μποζονίων. Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η αναζήτηση της ύπαρξης νέων φορτισμένων μποζονίων πέρα από τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου, και, κατ’ επέκταση, η επιβεβαίωση ή διεύρυνση αυτού. Ενδείξεις για την ύπαρξη νέων βαρέων φορτισμένων διανυσματικών μποζονίων αναζητούνται μέσω της διάσπασής τους σε μιόνιο και νετρίνο. Η ανίχνευση του νετρίνο γίνεται έμμεσα μέσω της ανίχνευσης σημαντικής εγκάρσιας ελλείπουσας ενέργειας. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από συγκρούσεις πρωτονίων-πρωτονίων σε ενέργειες κέντρου μάζας 8 TeV, που συνέλεξε ο ανιχνευτής ATLAS κατά τη λειτουργία του Large Hadron Collider στη διάρκεια των ετών 2011-2012, και αντιστοιχούν σε συνολική φωτεινότητα20.3 fb-1.Διερευνήθηκαν κυρίως δύο σενάρια νέας φυσικής: Το Διαδοχικό Καθιερωμένο Πρότυπο – Sequential Standard Model (SSM), σύμφωνα με το οποίο τo W’ έχει τις ίδιες συζεύξεις σε φερμιόνια με το μποζόνιο W του Καθιερωμένου Προτύπου, και το σενάριο που προτείνει την ύπαρξη φορτισμένων εταίρων των διεγερμένων μποζόνιων χειρότητας που συμβολίζονται ως W*. Η ανώμαλη (μαγνητικού τύπου) σύζευξη του W* οδηγεί σε κινηματικές κατανομές σημαντικά διαφορετικές από εκείνες του W’.Έγινε προσεκτική επιλογή γεγονότων ώστε να μειωθεί το υπόβαθρο το οποίο προέρχεται κύριως από διασπάσεις του W όπως και αναλυτικός υπολογισμός όλων των υποβάθρων. Τα περισσότερα υπόβαθρα υπολογίστηκαν μέσω προσομοιώσεων αλλά το υπόβαθρο πολλαπλών πιδάκων (multijet) υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας πειραματικά δεδομένα. Τέλος εκτιμήθηκαν όλες οι συνεισφορές που υπεισέρχονται στα συστηματικά σφάλματα.Η ανάλυση των δεδομένων δεν έδειξε παραγωγή γεγονότων πάνω από τα αναμενόμενα από το Καθιερωμένο Πρότυπο και συνεπώς προέκυψαν όρια σημαντικά βελτιομένα -σε σχέση με προηγούμενες έρευνες- στο γινόμενο σ*B (ενεργός διατομή * λόγος διάσπασης) για τα W’ και W* σε εύρος μαζών 0.5 – 4 TeV.