Search for new phenomena in events with jets and large missing transverse momentum at the high-energy LHC Run II using the ATLAS detector

Abstract

Aquesta tesi presenta els resultats de l’anàlisi típicament anomenada de monojet i realitzada amb les dades de col·lisions protó-protó preses en un centre d’energia de massa de 13 TeV pel detector ATLAS entre 2015 i 2018, i que corresponen a una lluminositat integrada de 139 fb-¹. L’anàlisi busca esdeveniments amb almenys un jet (raig de partícules) d’alta energia, alt moment transvers mancant (ETmiss) i amb absència de leptons en l’estat final. Es considera un total de 13 regions de senyal, amb un mínim ETmiss de 200 GeV. Les contribucions de successos de fons s’estimen amb mostres de simulació Monte Carlo, la normalització de les quals s’optimitza mitjançant un ajust simultani de la probabilitat a les dades en regions de control determinades mitjançant la distribució ETmiss. En general, es troba un bon acord entre les dades i les prediccions del Model Estàndard (MS), amb un nivell d’incertesa que oscil·la entre l’1,5% i el 4,7% en tot l’espectre de ETmiss. Mitjançant el mètode CLs, aquest acord es fa servir per establir límits independentment del model teòric en la secció eficaç visible de nous fenòmens en un rang entre 736 fb i 0,3 fb en un 95% de nivell de confiança (CL). També s’estableixen límits de producció en funció de paràmetres d’alguns models fora del MS, com per exemple dos models simplificats de producció de matèria fosca, quatre models de producció de parells de quarks SUSY en escenaris comprimits i un model ADD de dimensions addicionals, entre d’altres. A més a més, també s’extreuen límits al 95% de CL de la fracció de decaïment d’un bosó de Higgs a partícules de matèria fosca. En tots els casos, els límits obtinguts representen una millora significativa en comparació amb els resultats de l’anàlisi de monojet anterior d’ATLAS. Finalment, es presenten diversos estudis i resultats del funcionament del detector de Píxels d’ATLAS.

Esta tesis contiene los resultados del llamado análisis de monojet, realizado con un conjunto de datos de colisiones protón-protón con una energía en el centro de masas de 13 TeV recogido por el detector ATLAS entre 2015 y 2018, correspondiente a una luminosidad integrada total de 139 fb-¹. El análisis busca sucesos con al menos un jet muy energético, gran cantidad de momento transverso faltante (ETmiss) y sin leptones en el estado final. Se considera un total de 13 regiones de señal, empezando a ETmiss = 200 GeV. Las contribuciones de sucesos de fondo se estiman con muestras simuladas de Monte Carlo, cuya normalización se optimiza a través de un ajuste de verosimilitud simultáneo a los datos en determinadas regiones de control utilizando la distribución de ETmiss. En general, se observa una buena concordancia entre los datos y las predicciones del Modelo Estándar (ME), con un nivel de incertidumbre que oscila entre el 1,5% y el 4,7% a través del espectro de ETmiss. Usando el método de CLs, este acuerdo se utiliza para establecer límites independientes del modelo a la sección eficaz visible de nuevos fenómenos en el rango entre 736 fb y 0,3 fb a un 95% de nivel de confianza (CL). También se establecen límites en función de parámetros de varios modelos más allá del ME, incluyendo dos modelos simplificados de producción de materia oscura, cuatro modelos de producción de pares de quarks SUSY en escenarios comprimidos y el modelo ADD de dimensiones extra, entre otros. Además, se establecen límites al 95% de CL en la fracción de desintegración de un bosón de Higgs a partículas de materia oscura. En todos los casos, los límites obtenidos representan una mejora significativa en comparación con resultados de monojet anteriores de ATLAS. Finalmente, se presentan varios estudios sobre el rendimiento del detector Pixel de ATLAS.

This thesis comprises the results of the so-called monojet analysis, as performed with a dataset of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV recorded by the ATLAS detector between 2015 and 2018, corresponding to a total integrated luminosity of 139 fb-¹. The analysis looks for events with at least one high energetic jet, large amount of missing transverse momentum (ETmiss) and no leptons in the final state. A total of 13 signal regions is considered, starting at ETmiss=200 GeV. Background contributions are estimated with simulated Monte Carlo samples, whose normalization is optimized via a simultaneous likelihood fit to the data in dedicated control regions using the ETmiss distribution. Overall, good agreement is observed between the data and the Standard Model (SM) predictions, with a level of uncertainty ranging between 1.5% and 4.7% across the ETmiss spectrum. Using the CLs method, such agreement is then used to set model-independent limits at 95% of confidence-level (CL) on the visible cross section of new phenomena in the range between 736 fb and 0.3 fb. Limits are also set on the parameter space of a number of models beyond the SM, including two simplified dark matter production models, four SUSY quark-pair production models in compressed scenarios and the ADD extra dimensions model, among others. In addition, 95% CL limits are set to the branching ratio of a Higgs boson decaying into the dark sector. In all cases, the obtained limits represent a significant improvement in comparison with respect to previous ATLAS monojet results. Finally, a number of studies on the performance of the Pixel ATLAS detector is presented.