Search for supersymmetry through the 3-lepton and large missing transverse momentum process with the ATLAS detector at CERN

Abstract

Sypersymmetry is one of the leading theories which could explain shortcomings ofthe Standard Model, such as the hierarchy problem, but also address phenomena suchas dark matter. This thesis presents two searches of Supersymmetry through the electroweakproduction of charginos and neutralinos decaying into three leptons (electronsand muons) and large missing transverse energy using data collected in ATLAS frompp collisions at ps=8TeV. The rst study aims at large mass dierences between thelightest and next-to-lightest neutralino, referred to as \the bulk region", whereas thesecond study focuses on the small mass dierences, a region known as \compressedspectra". No signicant data excess above the Standard Model was observed, howeverexclusion limits were set on masses of Supersymmetric particles. In particular, as far asthe studies of the bulk region are concerned, extrapolating the sensitivity of the signalpoints to cover the whole WZ-mediated grid lead to an expansion of the exclusion ofthe chargino mass to 387 GeV from 350 GeV for low lightest-neutralino masses. Inthe compressed spectra region, for the ~`-mediated simplied model, low mass splittingpoints were excluded up to 280 GeV for chargino masses in the compressed region.As for the WZ-mediated simplied model, a handful of low mass splitting points areexcluded, therefore 1D limits were set instead.In the course of improving the chances of observing new physics in the future,additional studies were performed in this thesis, regarding the new muon MicroMEGASdetectors to be installed in the New Small Wheel in 2019. Signicant contribution wasmade on understanding the behavior of the front-end readout ASIC prototype (VMM1)of the MicroMEGAS and sTGC detectors, under harsh radiation environments, such asthose expected in ATLAS during Run III. For this purpose, two VMM1s were exposedin a neutron irradiation environment using the TANDEM Van Der Graa acceleratorat NSCR Demokritos, Athens, Greece. The system's digitizer Field-ProgrammableGate Array (FPGA) and LABView interface were modied so as to allow detectionand monitoring of single event upsets (SEU) in the internal conguration registers ofthe VMM1s. The results showed a high rate of SEU occurrences at a measured crosssection of (4:10:7)1014 cm2=bit for each VMM. Consequently, when extrapolatingthis value to the luminosity expected in Run III, the occurrence is 1.7 SEUs/min foreach of the 40,000 VMMs installed during the ATLAS Phase-I upgrade.

Στον Τομέα της σωματιδιακής φυσικής το πλέον επιτυχημένο μοντέλο για την ακριβή περιγραφή των θεμελιωδών συστατικών της ύλης αλλά και για την εξήγηση των αλληλεπιδράσεων, είναι το λεγόμενο Καθιερωμένο Πρότυπο ή Standard Model (SM). Η θεωρία αυτή περιγράφει τα σωματίδια της ύλης καθώς και τα σωματίδια-φορείς των αλληλεπιδράσεων. Πιο συγκεκριμένα, τα σωματίδια της ύλης έχουν κλασματικό spin και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ανταλλάσσοντας τα σωματίδια-φορείς των δυνάμεων όπως η ισχυρή, η ασθενής και η ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Τα σωματίδια αυτά αποκτούν (ή όχι) μάζα μέσω της(μη) αλληλεπίδρασής τους με το πεδίο ΒΕΗ (Brout–Englert–Higgs). ΄Αμεσα συνδεδεμένο με το πεδίο ΒΕΗ είναι το σωματίδιο Higgs, το οποίο ανακαλύφθηκε στο CERN τον Ιούνιο του 2012.Παρ΄ότι το θεωρητικό πλαίσιο αυτό έχει εκτενώς αποδειχθεί πειραματικά και ουδεμία απόκλιση από αυτό έχει μετρηθεί μέχρι τώρα, αφήνει κάποια ανοιχτά ερωτήματα τα ο-ποία δεν μπορούν να εξηγηθούν χωρίς εισαγωγή κάποιας προέκτασης στο φορμαλισμό του. Υπάρχουν για παράδειγμα σαφείς ενδείξεις ότι το SM αποτελεί τη χαμηλοενεργειακή προσέγγιση μιας γενικότερης θεωρίας, συνεπώς δεν περιγράφει ολοκληρωμένα την σωματιδιακή φυσική. Μερικά από τα προβλήματα ή αναπάντητα, προς το παρόν, ερωτήματα της φυσικής τα οποία συνηγορούν στην ύπαρξη νέας φυσικής πέρα του SM (ΒΣΜ=BeyondSM) είναι τα εξής:• Οι τεράστιες ‘μη φυσικές’ διορθώσεις στην μάζα του Higgs ή αλλιώς το πρόβλημα της ιεραρχίας των σωματιδίων. Πιο συγκεκριμένα, το πρόβλημα της ιεραρχίας αναφέρεται στις τεράστιες διαφορές μεταξύ της Ηλεκτρασθενούς κλίμακας (!100GeV) και της κλίμακας του Planck (!1019 GeV).• Η μη ενοποίηση των τριών δυνάμεων αλληλεπίδρασης στην κλίμακα που προβλέπεται από τη θεωρία του GUT (Grand Unification Theory) στα 1015 GeV. Η θεωρία αυτή προβλέπει ότι το SM ανήκει σε μια μεγαλύτερη ομάδα συμμετρίας, την SU(5).• Η προέλευση της σκοτεινής ύλης και ενέργειας. Τα κυριότερα υποψήφια σωματίδια ως συστατικά της σκοτεινής ύλης είναι εκείνα που αλληλεπιδρούν ασθενώς με την ύλη και έχουν μεγάλη μάζα, γνωστά και ως WIMPs (Weakly Interacting MassiveParticles).• Η απουσία κβαντικής θεωρίας βαρύτητας. Τα ανοικτά αυτά ερωτήματα καθιστούν σημαντική την θεμελίωση μιας ευρύτερης θεωρίας η οποία να φέρει πιο κοντά την επιστήμη στην κατανόηση του σύμπαντος για να ερμηνεύσει τόσο προβλήματα του μικροκόσμου σε υψηλότερες ενεργειακές κλίμακες, όσο και του μακροκόσμου. Μια από τις πιο διαδεδομένες θεωρίες, η οποία μπορεί να δώσει απάντηση στα περισσότερα από τα παραπάνω ερωτήματα, είναι η θεωρία της Υπερσυμμετρίας (Supersymmetry -SUSY). Σύμφωνα με την SUSY, για κάθε σωματίδιο ύπαρχει ο υπερσυμμετρικός σύντροφός του, διπλασιάζοντας έτσι τον αριθμό των θεμελιωδών σωματιδίων. Τα σωματίδια αυτά δημιουργούνται σε ζεύγη και, αν διατηρείται ένας κβαντικός αριθμός γνωστός ως R ομοτιμία, θα διασπώνται μέχρι τη δημιουργία του ελαφρύτερου Υπερσυμμετρικού σωματιδίου(Lightest Supersymmetric Particle-LSP) το οποίο αναμένεται να είναι σταθερό. Το LSP,γνωστό και ως neutralino, συμβολίζεται χ˜0, είναι ουδέτερο και, όπως και τα νετρίνα, δια-φεύγει ανίχνευσης και μπορεί να μετρηθεί μόνο μέσω της χαμένης ενέργειας. Το γεγονός ότι το χ˜0 είναι ουδέτερο, σταθερό και αλληλεπιδρά ασθενώς με την ύλη, το καθιστά ι-δανικό υποψήφιο για WIMP. Τα σωματίδια αυτά προσθέτουν μια ακόμα συμμετρία στην Λανγκρατζιανή του SM, χάρη στην οποία οι τρείς δυμάμεις αλληλεπίδρασης θα μπορούσαν να ενοποιη θούν.Η αναζήτηση των SUSY σωματιδίων είναι ένας από τους βασικούς ερευνητικούς στόχουςτου επιταχυντή LHC (Large Hadron Collider) στο CERN. Η έρευνα ξεκίνησε από την πρώτη μέρα λειτουργίας του LHC με αρχικές ενέργειες κέντρου μάζας √s = 7 T eV . Κατά τη διάρκεια της πρώτης περιόδου λειτουργίας, γνωστή ως Run Ι, ανακαλύφθηκε το σωματίδιο Higgs από τα πειράματα ATLAS και CMS. Το 2012, ο LHC σταμάτησε τη λειτουργία του για δυο χρόνια έτσι ώστε να πραγματοποιηθούν ορισμένες τεχνικές διεργασίες οι οποίες επέτρεψαν στον επιταχυντή να συγκρούσει πρωτόνια σε ενέργειες έως και √s = 14 T eV . Η επανέναρξη του LHC έλαβε χώρα το καλοκαίρι του 2015 (Run ΙΙ)και οι συγκρούσεις αναμένονται να συνεχιστούν μέχρι το 2019, όπου έχει προγραμματιστεί η δεύτερη αναβάθμιση (Phase Ι) των πειραμάτων για αντοχή και καλύτερη απόδοση σε υψηλότερους ρυθμούς σύγκρουσης των δεσμών. Μετά την δεύτερη αναβάθμιση, οι συγκρούσεις αναμένονται να ξεκινήσουν το 2021 (Run ΙΙΙ).Το αντικείμενο του πρώτου μέρους της παρούσας διατριβής αφορά την οργανολογία και πιο συγκεκριμένα τις μελέτες πρότυπων θαλάμων ανίχνευσης μιονίων οι οποίοι θα εγκατασταθούν στο πείραμα ATLAS κατά τη διάρκεια του Phase Ι.Το δεύτερο μέρος της διατριβής αφορά την αναζήτηση νέας φυσικής μέσω της πιθανής ανίχνευσης υπερσυμμετρικών σωματιδίων. Για το σκοπό χρησιμοποιήθηκαν πραγματικά δεδομένα από το Run Ι