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

Abstract

L’objectiu de la física és produir models que coincideixin amb les observacions i ens permetin fer prediccions. Per tal de millorar la comprensió d’un determinat fenomen natural, cal experimentar. El Large Hadron Collider (LHC), l’accelerador de partícules més potent del món, es va construir amb la intenció de provar les prediccions de diferents teories de la física de partícules. Una d’elles és l’existència d’una partícula compatible amb el bosó de Higgs en el model estàndard. El seu descobriment, juntament amb moltes altres mesures, van convertir el model estàndard en un dels models més coherents amb la natura en la física de partícules. Hi ha, però, algunes observacions experimentals que romanen fora del poder explicatiu del model estàndard. Un exemple és la velocitat inesperadament alta a les corbes de rotació de les galàxies. Una de les explicacions més esteses d’aquestes observacions és la proposta d’existència de la matèria fosca, una contribució de matèria a les galàxies que interacciona molt feblement amb la matèria ordinària. El treball presentat en aquesta tesi presenta alguns dels últims intents del detector ATLAS de l’LHC per produir i detectar matèria fosca. A causa de la seva baixa taxa d’interacció, la recerca de matèria fosca als col·lisionadors es fa indirectament mitjançant l’observació d’un gran desequilibri en el moment entre les partícules col·lisionades i els productes de col·lisió. Aquest tipus de cerca es coneix típicament com a cerca Mono-X, ja que l’energia que falta ha d’anar acompanyada d’algun objecte descrit al Model Estàndard per poder ser detectat i es pot denominar X. A l’LHC, hi han moltes cerques d’aquest tipus i en aquesta tesi es posa especial consideració en l’anàlisi d’esdeveniments amb una gran energia transversal que falta produïda en associació a un jet, un fotó i un bosó vectorial que decau de manera hadrònica. Aquesta tesi també presenta un conjunt d’estudis relacionats amb la mesura de la lluminositat d’ATLAS mitjançant el seu calorímetre hadrònic.

El objetivo de la física es producir modelos que coincidan con las observaciones y nos permitan realizar predicciones. Para mejorar la comprensión de un determinado fenómeno natural, es necesario experimentar. El Large Hadron Collider (LHC), el más potente acelerador de partículas del mundo, se construyó con la intención de probar las predicciones de diferentes teorías de la física de partículas. Una de ellas es la existencia de una partícula compatible con el bosón de Higgs en el modelo estándar. Su descubrimiento, junto con otras muchas medidas, convirtieron el modelo estándar en uno de los modelos más coherentes con la naturaleza en la física de partículas. Sin embargo, hay algunas observaciones experimentales que permanecen fuera del poder explicativo del modelo estándar. Un ejemplo es la velocidad inesperadamente alta en las curvas de rotación de las galaxias. Una de las explicaciones más extendidas de estas observaciones es la propuesta de existencia de la materia oscura, una contribución de materia a las galaxias que interacciona muy débilmente con la materia ordinaria. El trabajo presentado en esta tesis presenta algunos de los últimos intentos del detector ATLAS del LHC de producir y detectar materia oscura. Debido a su baja tasa de interacción, la búsqueda de materia oscura en los colisionadores se realiza indirectamente mediante la observación de un gran desequilibrio en el momento entre las partículas colisionadas y los productos de colisión. Este tipo de búsqueda se conoce típicamente como búsqueda Mono-X, ya que la energía que falta debe ir acompañada de algún objeto descrito en el Modelo Estándar para poder ser detectado y se puede denominar X. En el LHC, hay han muchas búsquedas de este tipo y en esta tesis se pone especial consideración en el análisis de eventos con una gran energía transversal que falta producida en asociación a un jet, un fotón y un bosón vectorial que decae de forma hadrónica. Esta tesis también presenta un conjunto de estudios relacionados con la medida de la luminosidad de ATLAS mediante su calorímetro hadrónico.

The goal of physics is to produce models that match observations and allow us to make predictions. In order to improve the understanding on a particular natural phenomena, experimentation is required. The Large Hadron Collider (LHC), the most powerful particle accelerator in the world, was built with the intention of testing the predictions of different theories of particle physics. One of them being the existence of a particle compatible with the Higgs boson in the Standard Model. Its discovery, together with many other measurements, made the Standard Model one of the most consistent models with nature in particle physics. There are, however, some experimental observations that remain out of the explanatory power of the Standard Model. Such an example is the unexpectedly high velocity in galaxy rotation curves. One of the most extended explanations for these observations is the proposed existence of Dark Matter, a contribution of matter to the galaxies that interacts very weakly with ordinary matter. The work presented in this thesis relates to some of the latest attempts from the ATLAS detector at the LHC to produce and detect Dark Matter. Due to its low interaction rate, the search of Dark Matter at colliders is done indirectly via the observation of a large imbalance in momentum between the collided particles and the collision products. This approach is commonly referred to as a Mono-X search, since the missing energy needs to be accompanied by some object described in the Standard Model in order to be detected and can be referred to as X. At the LHC, many Mono-X type searches are conducted and in this thesis special regard is put into analysis of events with large missing transverse energy produced in association to a jet, a photon, and to a hadronically decaying vector boson. This thesis also presents a set of studies related to the measurement of luminosity of ATLAS using its hadronic calorimeter.