Search for supersymmetric particles in final states with multiple heavy-flavour jets with the ATLAS detector

Abstract

En aquesta tesi es presenta una recerca de supersimetria en estats finals amb múltiples quark by alt moment transvers faltant usant col·lisions de protó-protó a una energia de centre de massa de 13 TeV proporcionades pel Gran Col·lisionador d’Hadrons (LHC, per les sigles en anglès) i detectades amb l’experiment ATLAS. Les col·lisions utilitzades en l’anàlisi corresponen al període entre 2015 i 2018 conegut com a Run 2, amb una lluminositat integrada total de 139 ifb. Aquesta recerca té com a objectiu la producció de parells d’higgsins en el context de supersimetria amb paritat-R conservada i amb mecanismes de ruptura de simetria intervinguts per interaccions gauge, en els quals s’espera que el higgsí sigui lleuger i que es desintegri en un bosó de Higgs i un gravití, considerat com la partícula supersimètrica més lleugera. L’anàlisi està optimitzada per al canal de desintegració del bosó de Higgs a parelles de quarks bottom-antibottom, el qual té la probabilitat més gran. Per tant, els estats finals característics contenen alta multiplicitat de b-jets. Els gravitins no interactuen amb el detector, per la qual cosa els estats finals contenen també un alt moment transvers faltant. Aquesta és l’única anàlisi a ATLAS optimitzada per cobrir l’espai de paràmetres amb alta massa per al higgsino i alta probabilitat de desintegrar-se a un bosó de Higgs. A l’anàlisi no s’ha trobat cap excés significatiu respecte a la predicció del Model Estàndard. Els resultats de la cerca s’han interpretat en el context de models simplificats per estimar el límit superior a la secció eficaç de la producció de parells de higgsins. L’anàlisi exclou a un nivell de confiança del 95% les hipòtesis de massa per a l’higgsino entre 200 i 950 GeV en models amb 100% de probabilitat de desintegrar-se a un bosó de Higgs i un gravití. A més, els límits per a models en què el higgs es desintegra en un bosó de Higgs amb probabilitat variable es calculen en base a les observacions, per als quals totes les hipòtesis de massa entre 250 i 800GeV estan excloses a un nivell de confiança del 95 % en models amb probabilitat de desintegrar-se a un Higgs boson del 50%. El valor més baix de la probabilitat de desintegrar-se en un bosó de Higgs és de 15% per a higgsins amb massa de 400 GeV.

En esta tesis se presenta una búsqueda de supersimetría en estados finales con multiples quark b y alto momento transverso faltante usando colisiones de protón-protón a una energía de centro de masa de 13 TeV proporcionadas por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) y detectadas con el experiment ATLAS. Las colisiones usadas en el análisis corresponden al periodo entre 2015 y 2018 conocido como Run 2, con una luminosidad integrada total de 139 ifb. Esta búsqueda tiene como objetivo la producción de pares de higgsinos en el contexto de supersimetría con paridad-R conservada y con mecanismos de ruptura de simetría mediada por interacciones gauge, en los cuales se espera que el higgsino sea ligero y que se desintegre en un bosón de Higgs y un gravitino, considerado como la partícula supersimétrica más ligera. El análisis está optimizado para el canal de desintegración del bosón de Higgs a parejas de quarks bottom-antibottom, el cual tiene la mayor probabilidad. Por tanto, los estados finales característicos contienen alta multiplicidad de b-jets. Los gravitinos no interactúan con el detector, por lo que los estados finales contienen también alto momento transverso faltante. Este es el único análisis en ATLAS optimizado para cubrir el espacio de parámetros con alta masa para el higgsino y alta probabilidad de desintegrarse en un bosón de Higgs. En el análisis no se ha encontrado ningún exceso significativo con respecto a la predicción del Modelo Estándar. Los resultados de la búsqueda se han interpretado en el contexto de modelos simplificados para estimar el límite superior en la sección eficaz de la producción de pares de higgsinos. El análisis excluye a un nivel de confianza del 95% las hipótesis de masa para el higgsino entre 200 y 950 GeV en modelos con 100% de probabilidad de desintegrarse en un bosón de Higgs y un gravitino. Además, los límites para modelos en los que el higgsino se desintegra en un bosón de Higgs con probabilidad variable se calculan en base a las observaciones, para los cuales todas las hipótesis de masa entre 250 y 800GeV están excluídas a un nivel de confianza del 95% en modelos con probabilidad de desintegrarse a un Higgs boson del 50%. El valor más bajo de la probabilidad de desintegrarse en un bosón de Higgs es de 15% para higgsinos con masa de 400 GeV.

This dissertation presents a search for supersymmetry in final states containing multiple b-quarks and large missing transverse energy using proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV as provided by the Large Hadron Collider (LHC) and recorded by the ATLAS experiment. The collisions used in the analysis corresponds to the data taking period from 2015 to 2018, also known as LHC Run 2, amounting to a total integrated luminosity of 139 ifb. The search targets a model for higgsino pair production in the context of R-parity conserving supersymmetry coupled with gauge-mediated symmetry-breaking mechanisms, where the higgsino is expected to be light, due to naturalness arguments, and decay to a Higgs boson and a gravitino, which is the lightest supersymmetric particle (LSP). The analysis is optimized focusing on the dominant decay channel of the Higgs boson into bottom-antibottom quark pairs. Thus, the characteristic final states contain high multiplicity of b-jets. The gravitinos do not interact with the detector, and therefore the final states are expected to exhibit large values of missing transverse energy. This is the only analysis in ATLAS optimized to probe the high-mass regime for the targeted model with large higgsino decay branching ratio into a Higgs boson. No significant excess over the Standard Model prediction is observed in the analysis. The results are interpreted in the context of simplified models in order to translate them into upper limits on the higgsino pair production cross section. The search excludes at 95% confidence level all higgsino mass hypotheses between 200 and 950 GeV for scenarios with 100% decay branching ratio into a Higgs boson and a gravitino. Additionally, 95% CL exclusion limits for mixed branching ratio scenarios are derived, for which all mass hypotheses between 250 and 800 GeV are excluded for models with a branching ratio of 50% into a Higgs boson. The lowest value excluded for the decay branching ratio into a Higgs boson is 15% for a higgsino mass of 400 GeV.