Study of ZZ production via Vector Boson Scattering in the ATLAS experiment at the LHC, as a test of the Standard Model and a probe for New Physics

Abstract

This dissertation presents a measurement of the ZZ production via Vector Boson Scattering (VBS) interactions in 139/fb of data recorded by the ATLAS detector from pp collisions at sqrt(s)=13TeV during LHC Run-II (2015-2018). The production of the ZZ system between a forward and a backward jet (j) is indicative of such a VBS process. In this study, 127 candidate events with a fully leptonic final state (lllljj) have been observed and another 82 events in the llννjj final state, with a contribution of the purely electroweak ZZjj process estimated to be 20.6±2.5 and 12.3±0.7 events respectively. The measured cross-sections (including QCD-induced and purely EW ZZjj processes) were found to be 1.27 ± 0.14fb (1.22 ± 0.35fb) for lllljj (llννjj) in their respective fiducial regions. Using multivariant methods, the electroweak (EW) production of ZZjj events (combining the lllljj and llννjj channels) was measured to have a “signal strength” of 1.35 ± 0.34, which leads to a rejection of the no-electroweak hypothesis with a statistical significance of 5.5σ.Additionally, as part of the aforementioned analysis on VBS processes in the pp→ZZjj→lllljj channel, studies have been made on an Effective Field Theory (EFT) model with dimemntion-8 operators, which predicts the presence of anomalous quartic vector-boson interactions. In the context of this study, all of the field-strength tensors of the dim-8 EFT model were examined; the operators were ranked based on their ZZjj→lllljj production rate. Along with that, additional sensitivity studies were made by using multivariate techniques to pinpoint the most sensitive kinematic variables that can be used as discriminant between these anomalous vector-boson interactions and the SM processes. Furthermore, preliminary MC studies (with full detector simulation) are presented that show the expected number of events for each one of those operators and the respective efficiency for selecting such events has been determined. Moreover, this thesis includes studies related to the Fast Tracker (FTK) project that is a track finding system implemented in custom hardware and is designed to deliver all tracks with pT above 1 GeV to the ATLAS trigger system for each event accepted by the Level-1 trigger (at a maximum rate of 100 kHz). The full FTK system is presented and details are given for the challenging implementation of the Detector Control System (DCS, also known as ”slow control”) project, dedicated to the custom VME equipment of its infrastructure.

Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει μέτρηση παραγωγής δύο μποζονίων Z μέσω αλληλεπιδράσεων Σκέδασης Διανυσματικών Μποζονίων (VBS) σε 139/fb δεδομένων που καταγράφηκαν από τον ανιχνευτή ATLAS από συγκρούσεις πρωτονίων σε ενέργειες sqrt(s)=13TeV κατά τη διάρκεια του LHC Run-II (2015-2018). Χαρακτηριστικό γνώρισμα των αλληλεπιδράσεων αυτών είναι το γεγονός πως οι πίδακες αδρονίων (hadron jet ή jet) τείνουν να έχουν μεγάλη γωνιακή απόσταση μεταξύ τους, ενώ στον ενδιάμεσο χώρο εμφανίζονται τα προερχόμενα από τα μποζόνια τελικά σωματίδια. Στη συγκεκριμένη μελέτη παρατηρήθηκαν 127 υποψήφια γεγονότα με τελική κατάσταση τεσσάρων λεπτονίων (ηλεκτρονίων ή μιονίων) (lllljj) και άλλα 82 γεγονότα στο κανάλι δυο λεπτονίων και δυο νετρίνο (llννjj). Η προσομοίωση αυτών των διαδικασιών του Καθιερωμένου Προτύπου εκτιμά ότι η καθαρή συνεισφορά ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων ZZjj είναι 20.6±2.5 γεγονότα στο κανάλι lllljj και 12.3±0.7 γεγονότα στο κανάλι llννjj. Με χρήση τεχνικών στατιστικής ανάλυσης με πολλές μεταβλητές (multivariant analysis), η ισχύς του σήματος παραγωγής ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων ZZjj εκτιμήθηκε ίση με 1.35±0.34. Δηλαδή, η παραγωγή γεγονότων ZZjj μέσω της ηλεκτρασθενούς αλληλεπίδρασης μετρήθηκε ;oτι είναι 1.35±0.34 φορές η πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου, όπως αυτή εκφράζεται από την προσομοίωση. Αυτή η μέτρηση οδηγεί στην απόρριψη της υπόθεσης απουσίας της ηλεκτρασθενούς αλληλεπίδρασης με στατιστική σημαντικότητα 5.5σ.Εκτός των παραπάνω, έγινε μελέτη του μοντέλου των ανώμαλων τετραπλών αλληλεπιδράσεων μποζονίων βαθμίδας, το οποίο προβλέπει την παρουσία αλληλεπιδράσεων πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο, οι οποίες εμφανίζονται ως επιπλέον όροι στο συνολικό στοιχείο πίνακα, καθένας προερχόμενος από τη δράση κάποιου οκτα-διάστατου τελεστή μιας Ενεργούς Θεωρίας Πεδίου (dimension-8 operators of an Effective Field Theory, EFT). Κάθε όρος συμμετέχει στο στοιχείο πίνακα με ένα συντελεστή (Wilson coefficient) και έτσι η συνεισφορά του κάθε τελεστή αναπαρίσταται με την τιμή του αντίστοιχου συντελεστή. Προφανώς, η μή συνεισφορά ενός τελεστή αναπαρίσταται με μηδενική τιμή για τον αντίστοιχο συντελεστή. Η συνεισφορά τέτοιων τελεστών οδηγεί σε «ανώμαλες» τετραπλές «συζεύξεις» μποζονίων βαθμίδας (anomalous Quartic Gauge Couplings, aQGCs). Στην εν λόγω μελέτη έγινε μια εκτενής κατάταξη των ανώμαλων συζεύξεων (anomalous Quartic Gauge Coupling ή aQGC) που προβλέπονται από το εν λόγω μοντέλο με βάση τη συμβολή τους στην παραγωγή τεσσάρων λεπτονίων μέσω VBS, καθώς και έλεγχος των πιο ευαίσθητων κινηματικών παραμέτρων που μπορούν να συμβάλουν στον διαχωρισμό των αλληλεπιδράσεων αυτών από εκείνες του Καθιερωμένου Προτύπου. Επίσης, ελέγχθηκαν κινηματικές μεταβλητές που είναι πιο «ευαίσθητες» στην αποκάλυψη τη συνεισφοράς τέτοιων συζεύξεων. Τέλος, εκτιμώνται τα άνω όρια στις τιμές των συντελεστών Wilson με βάση την κατανομή του αριθμού γεγονότων στις διάφορες κινηματικές μεταβλητές.Επιπλέον, αυτή η διατριβή περιλαμβάνει μελέτες που σχετίζονται με το πρόγραμμα του Γρήγορου Ιχνηλάτη (Fast Tracker ή FTK), το οποίο αποτελεί ένα εγχείρημα που σχεδιάστηκε ούτως ώστε να ενταχθεί στο σύστημα σκανδαλισμού του ATLAS και να φέρει εις πέρας την ιχνηλασία και μέτρηση της ορμής όλων των σωματιδίων με εγκάρσια ορμή μεγαλύτερη από 1GeV στα γεγονότα που έχουν προεπιλεχθεί από το πρώτο στάδιο σκανδαλισμού του ανιχνευτή. Το σύστημα σχεδιάστηκε ώστε να υπολογίζει σε λιγότερο από 100μs τις παραμέτρους τροχιάς όλων των φορτισμένων σωματιδίων κάθε γεγονότος αξιοποιώντας τις πληροφορίες από το σύστημα ιχνηλάτησης του ATLAS. Προσομοιώσεις του συστήματος έχουν δείξει ότι το FTK θα καταφέρνει να μετρήσει με σχετικά καλή ακρίβεια περισσότερο από το 90% των φορτισμένων σωματιδίων με ορμή πάνω από 1GeV. Εκτός των άλλων, εντός της διατριβής παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική του συστήματος του FTK και δίνονται λεπτομέρειες για την απαιτητική υλοποίηση του Συστήματος Ελέγχου του Ανιχνευτή (Detector Control System, DCS επίσης γνωστό ως slow control), το οποίο μπορεί να επιτηρεί τα επιμέρους τμήματα του FTK και να ρυθμίζει τα συστήματα ψύξης και παροχής ενέργειας, προστατεύοντας έτσι τον πολύτιμο εξοπλισμό του FTK από θερμικά σοκ και βλάβες των συσκευών.