Search for supersymmetric particles with compressed mass spectrum in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV

Abstract

The main topic of this thesis is the search for Supersymmetry (SUSY) in proton-proton collisions at a center of mass energy of 13 TeV. The data used were collected by the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment during Run 2 (2016–2018) of the Large Hadron Collider (LHC) and correspond to up to 137 fb^(-1) of integrated luminosity. The analysis focuses on final states with two or three low transverse momentum (pT) leptons (electrons or muons), with at least one pair with opposite-sign charge and same flavor, and missing transverse energy. Such signatures can be produced in SUSY models in which electroweakinos or top squarks have a compressed mass spectrum, i.e. small mass differences between the lightest SUSY particles. The results of the analysis are in agreement with Standard Model predictions and are used to extract mass exclusion limits on the masses of the SUSY particles. An important part of this thesis is also dedicated to the development of software and firmware algorithms for the Phase 2 upgrade (for the High-Luminosity LHC) of the CMS Level-1 trigger (L1T) system. First, a set of corrections is derived for L1T muons captured by the demonstrator of the Phase 2 L1T scouting system. Subsequently, a multivariate algorithm for the L1T Correlator subsystem is developed with the aim of identifying electromagnetic, hadronic and pile-up clusters from the future High Granularity Calorimeter of CMS. One of the L1T Correlator data organization algorithms, the “deregionizer” algorithm, is also discussed and studies for it improvement are presented. Finally, the development of a firmware module for sorting electromagnetic objects in the L1T Correlator according to their transverse momentum is described.

To κύριο αντικείμενο της διατριβής είναι η πειραματική διερεύνηση της Υπερσυμμετρίας (Supersymmetry, SUSY) σε συγκρούσεις πρωτονίων με ενέργεια κέντρου μάζας 13 TeV. Τα δεδομένα συλλέχθηκαν από το πείραμα Compact Muon Solenoid (CMS) κατά τη διάρκεια του Run 2 (2016–2018) του επιταχυντή Large Hadron Collider (LHC), και αντιστοιχούν σε συνολική φωτεινότητα μέχρι και 137 fb^(-1). Η ανάλυση εστιάζεται σε τελικές καταστάσεις με δύο ή τρία λεπτόνια (ηλεκτρόνια ή μιόνια) με χαμηλή εγκάρσια ορμή (pT), τουλάχιστον ένα ζεύγος εκ των οποίων έχει αντίθετο φορτίο και ίδια γεύση, και ελλείπουσα εγκάρσια ορμή. Τέτοιες υπογραφές μπορούν να παραχθούν σε μοντέλα SUSY με electroweakinos ή top squarks με συμπιεσμένο φάσμα μάζας, δηλαδή μικρές διαφορές μάζας μεταξύ των ελαφρύτερων υπερσυμμετρικών σωματιδίων. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης είναι σε συμφωνία με τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου και χρησιμοποιούνται για την εξαγωγή ορίων αποκλεισμού στις μάζες των υπερσυμμετρικών σωματιδίων. Ένα σημαντικό τμήμα της διατριβής αφιερώνεται επίσης στην ανάπτυξη αλγορίθμων καθώς και του αντίστοιχου software και firmware για την Phase 2 αναβάθμιση (για το High-Luminosity LHC) του συστήματος σκανδαλισμού πρώτου επιπέδου (L1T) του CMS. Αρχικά, εξάγονται μια σειρά από διορθώσεις για L1T μιόνια, τα οποία καταγράφηκαν από τον demonstrator του Phase 2 L1T scouting συστήματος. Ακολούθως, παρουσιάζεται ένας multivariate αλγόριθμος που αναπτύχθηκε με στόχο την ταυτοποίηση ηλεκτρομαγνητικών, αδρονικών και pile-up σημάτων από το μελλοντικό καλορίμετρο «High Granularity» του CMS στο υποσύστημα L1T Correlator. Συζητείται επίσης ένας από τους αλγορίθμους οργάνωσης των δεδομένων του L1T Correlator, ο αλγόριθμος “deregionizer”, και παρουσιάζονται μελέτες για βελτιώσεις του. Τέλος, περιγράφεται η ανάπτυξη ενός firmware module για την ταξινόμηση των ηλεκτρομαγνητικών φυσικών αντικειμένων του L1T Correlator σύμφωνα με την εγκάρσια ορμή τους.