Μελέτη γωνιακών κατανομών ζεύγους top quark με τον ανιχνευτή CMS στο LHC και αναζήτηση νέας φυσικής

Abstract

This dissertation describes the work during my PhD pursue that was carried out at the NationalAnd Technical University of Athens (NTUA). The work consists of two correlated tt analyses as wellas a part of contribution to the Central CMS Detector Control System. The first part of the dissertation involves details regarding the thoretical Standard Model outline as well as technical characteristics related to the CMS detector. Chapter 1 outlines the basic elements of the Standard Model (SM) including the tt production mechanisms as well as the production of Z’ bosons found within models with a new U(1) gauge symmetry. The Z’ is the gauge boson of the (broken) U(1) symmetry. In Chapter 2. the LHC and the CMS detector are briefly described. The accelerator complex as well as the CMS experiment is outlined in order to identify the key characteristics that allow researchers to identify particles at that scale. The basic CMS detector subsystems on which the identification of fundamental particles rely upon are identified and the basic components of each subdetector is further described. Chapter 3 briefly describes the fundamental algorithms required for the object reconstruction of objects that are identified within the CMS detector. In order to identify the particles found within the CMS detector, various algorithms are developed and tuned. The second part of this dissertation discusses the CMS detector Control System. A detector of such size requires a powerful, adaptive and automated system for the control supervision and monitoring of its various components and subsystems. Chapter 4 introduces how a Detector control system for a large experiment such as the CMS experiment is developed and operated. Chapter 4 indicates the work of the author for the development and maintenance of various modules that were used by the CMS central DCS team. The third part of this dissertation describes two tt related analysis. Both analyses use protonproton collision data at the center of mass energy √s = 13 TeV, collected in 2016, 2017 and 2018 and presented in a final combined result with the Compact Muon Solenoid (CMS) detector at CERN LHC and correspond to a total integrated luminosity of 137.1 fb−1. Chapter 5 introduces a measurement of the production cross section of high transverse momentum (pT) top quark pairs is reported. The dataset was collected during the full Run II with the CMS detector at the CERN LHC from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The measurement uses events where either both top quark candidates decay hadronically and are reconstructed as largeR jets with pT > 450GeV. The cross section is extracted differentially as a function of kinematic variables of the top quark or top quark pair system. The results are unfolded to the particle and parton levels, and are compared to various theoretical models. Chapter 6 is based on the analysis described in Chapter 4 and presents a combination of searches for heavy resonances decaying to top quark-antiquark pairs, using the full set of proton-proton collision data collected at a center of-mass energy of √s = 13 TeV in the Full Run II, corresponding to an integrated luminosity of 137 fb−1. The combination includes contributions from the fully hadronic final state top and antitop quarks that have a high transverse momentum (pT). The results presented here further increase the mass exclusion limits for several models of new physics

Η παρούσα διατριβή περιγράφει τη δουλειά που πραγµατοποιήθηκε κατά τη διάρκεια της διδακτορικής µου ϕοίτησης στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο (ΕΜΠ). Η εργασία αποτελείται από δύο αναλύσεις σχετιζόµενες µε την παραγωγή ζεύγους τοπ-αντιτοπ κουάρκ (tt) καθώς και ένα µέρος της συµβολής µου στο Κεντρικό Σύστηµα Ελέγχου Ανιχνευτών CMS. Το πρώτο µέρος της διατριβής περιλαµβάνει λεπτοµέρειες σχετικά µε το περίγραµµα του καθιεϱωµένου προτύπου καθώς και τεχνικά χαρακτηριστικά που σχετίζονται µε τον ανιχνευτή CMS . Το Κεφάλαιο 1 περιγράφει τα ϐασικά στοιχεία του Καθιερωµένου Μοντέλου συµπεριλαµβανοµένων των µηχανισµών παραγωγής ζεύγους τοπ-αντιτοπ κουαρκ καθώς και της παραγωγής µποζονίων Ζ΄ που περιγράφονται από µοντέλα νέας ϕυσικής. Στο Κεφάλαιο 2, περιγράφονται συνοπτικά ο επιταχυντής LHC και ο ανιχνευτής CMS. Για το σύµπλεγµα του επιταχυντή καθώς και το πείραµα CMS περιγράφονται τα ϐασικά χαρακτηριστικά που επιτρέπουν στους ερευνητές να αναγνωρίσουν σωµατίδια σε αυτή την κλίµακα. Τα ϐασικά υποσυστήµατα ανιχνευτών CMS στα οποία ϐασίζεται η αναγνώριση των ϑεµελιωδών σωµατιδίων προσδιορίζονται και περιγράφονται περαιτέρω τα ϐασικά στοιχεία κάθε υποανιχνευτή. Το Κεφάλαιο 3 περιγράφει εν συντοµία τους ϑεµελιώδεις αλγόριθµους που απαιτούνται για την ανακατασκευή αντικειµένων που αναγνωρίζονται στον ανιχνευτή CMS προκειµένου να αναγνωριστούν τα σωµατίδια που ϐρίσκονται µέσα στον ανιχνευτή CMS , αναπτύσσονται και συντονίζονται διάφοροι αλγόριθµοι.Το δεύτερο µέρος αυτής της διατριβής περιγράφει το Σύστηµα Ελέγχου Ανιχνευτών CMS . Ένας ανιχνευτής τέτοιου µεγέθους απαιτεί ένα ισχυρό και αυτοµατοποιηµένο σύστηµα για τον έλεγχο επίβλεψης και παρακολούθησης των διαφόρων στοιχείων και υποσυστηµάτων του. Το Κεφάλαιο 4 εισάγει τον τρόπο µε τον οποίο αναπτύσσεται και λειτουργεί ένα σύστηµα ελέγχου ανιχνευτή για ένα µεγάλο πείραµα όπως το πείραµα CMS . Το Κεφάλαιο 4 δείχνει το έργο του συγγραφέα για την ανάπτυξη και τη συντήρηση διαφόρων λειτουργικών µονάδων που χρησιµοποιήθηκαν από την κεντρική οµάδα του CMS DCS.Το τρίτο µέρος αυτής της διατριβής περιγράφει δύο tt σχετικές αναλύσεις. Και οι δύο αναλύσεις χρησιµοποιούν δεδοµένα σύγκρουσης πρωτονίων στο κέντρο µάζας ενέργειας √s = 13 TeV , που συλλέχθηκαν το 2016, το 2017 και 2018 και παρουσιάζεται σε τελικό συνδυασµένο αποτέλεσµα µε τον ανιχνευτή (CMS ). Τα αποτελέσµατα αντιστοιχούν σε συνολική ϕωτεινότητα 137,1 fb1 . Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η µέτρηση της διαφορικής ενεργού διατοµής παραγωγής ζευγών τοπ-αντιτοπ κουάρκ υψηλής εγκάρσιας ορµής. Το σύνολο δεδοµένων συλλέχτηκε κατά τη διάρκεια της πλήρους εκτέλεσης µε τον ανιχνευτή CMS στο CERN από συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου σε ενέργεια κέντρου µάζας 13 TeV . Η µέτρηση χρησιµοποιεί γεγονότα όπου και τα δύο υποψήφια τοπ κουάρκ αποσυντίθενται αδρονικά και ανακατασκευάζονται ως µεγάλοι πίδακες ενέργειας. Η ενεργός διατοµή εξάγεται διαϕορικά ως συνάρτηση διαφόρων κινηµατικών µεταβλητών του συστήµατος ζεύγους τοπ κουάρκ ή τοπ κουάρκ. Τα αποτελέσµατα αναλύονται σε δύο διαφορετικά επίπεδα ανιχνευτή και συγκρίνονται µε διάφορα ϑεωρητικά µοντέλα. Το κεφάλαιο 6 ϐασίζεται στην ανάλυση που περιγράφεται στο Κεφάλαιο 5 και παρουσιάζει έναν συνδυασµό αναζητήσεων για ϐαρείς συντονισµούς που αποσυντίθενται σε ζεύγη τοπ-αντιτοπ κουαρκ, χρησιµοποιώντας το πλήρες σύνολο δεδοµένων σύγκρουσης πρωτονίουπρωτονίου που συλλέχθηκαν από τον ανιχνευτή CMS . Ο συνδυασµός περιλαµβάνει συνεισφορές από τα πλήρως αδρονικά διασπώµενα τοπ-αντιτοπ κουάρκ που έχουν υψηλή εγκάρσια ορµή (pT ). Τα αποτελέσµατα που παρουσιάζονται αυξάνουν περαιτέρω τα όρια αποκλεισµού µάζας για τα µοντέλα νέας ϕυσικής.