What to expect when you are expecting new physics: searches for new phenomena in multilepton final states with the ATLAS detector

Abstract

Aquesta dissertació descriu el meu treball en tres aspectes diversos però relacionats de l'experiment ATLAS al CERN. La idea central d'aquesta tesi es fonamenta en la cerca de nous fenòmens en estats finals amb múltiples leptons utilitzant dades de col·lisions protó-protó a una energia en el centre de massa de 13 TeV registrades pel detector ATLAS al Gran Col·lisionador de Hadrons durant la 2ª presa de dades. Es consideren tres models diferents, que cobreixen estats finals amb múltiples leptons lleugers, leptons tau, jets i energia transversa perduda. El primer anàlisi presentat és la primera cerca que s’ha realitzat mai de bosons de Higgs pesats amb violació de sabor que es desintegren en estats finals amb múltiples leptons i múltiples b-jets, motivada principalment per les tensions tipus ttW i tttt reportades pels experiments ATLAS i CMS. Les senyals buscades condueixen a estats finals amb un parell de quarks top amb el mateix signe, tres quarks top o quatre quarks top. S’observa un excés ampli en l'espai de paràmetres de massa i acoblaments, amb la significança local més gran sent de 2.8 desviacions estàndard. El segon anàlisi és la primera cerca directa al LHC d'un leptó vectorial (VLL) doble o simple que s’acopla amb leptons de primera i segona generació del Model Estàndard, motivada pel moment magnètic anòmal del muó i les anomalies en el sabor. No s'observa cap excés significatiu sobre el valor esperat del Model Estàndard per cap dels models estudiats, però s'han establert els límits més estrictes en la producció de VLLs d'aquests models. Finalment, el tercer anàlisi cobert en aquesta tesis presenta estudis preliminars per a la cerca de VLLs acoblats preferentment a fermions de tercera generació del Model Estàndard, en estats finals amb múltiples leptons lleugers, leptons tau, b-jets i energia transversa perduda. La sensibilitat preliminar al model es calcula a partir d'aquests canals i és competitiva amb la dels canals amb només tau a baixes masses de VLL, excloent VLLs fins a 1 TeV. Tot i que no es va observar cap excés significatiu en cap les cerques, aquestes contribueixen a afegir una peça més al trencaclosques de trobar una extensió adequada del Model Estàndard i serveixen com a camp de proves per a tècniques avançades d'anàlisi de dades per a la propera generació d'anàlisis.

El meu treball en la cerca de física més enllà del Model Estàndard es complementa amb els altres dos temes coberts en aquesta dissertació: l'estudi de la degradació del rendiment de llum del detector TileCal amb les dades obtingudes pel lector d'integrador d’ATLAS TileCal durant la 2ª presa de dades i la derivació d'incerteses relacionades amb TileCal per a la mesura de la lluminositat d’ATLAS en la 3ª presa de dades. L'anterior estudi no només proporciona una retroalimentació valuosa per als plans d'actualització de la Fase-II de TileCal, sinó que també és essencial per al reprocesament de dades de física i afecta indirectament a la determinació d'incerteses relacionades amb jets i energia transversa perduda. L'estudi va estimar que l'efecte del dany i envelliment de les plaques centellejants i de les fibres de canvi de longitud d'ona en les cel·les del TileCal varia entre el 10% i el 30%, segons la ubicació respecte al punt d'interacció. La mesura anterior afecta al recompte del nombre mesurat d'esdeveniments d'un cert procés teòric, s'utilitza en totes les mesures de l'ATLAS utilitzant el conjunt de dades i és un factor limitant en anàlisis de precisió. La incertesa global en la determinació de la lluminositat al 2022 es va estimar en 2.19% (1.91% del TileCal) i al 2023 es va estimar en 2.04% (1.2% del TileCal).

Esta disertación describe mi trabajo en tres aspectos diversos pero relacionados del experimento ATLAS en el CERN. La tesis se centra en la búsqueda de nuevos fenómenos en estados finales con múltiples leptones, utilizando datos de colisiones protón-protón a una energía en el centro de masa de 13 TeV, registrados por el detector ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones durante el Run 2. Se consideran tres modelos distintos, que abarcan estados finales con leptones ligeros, leptones tau, jets y energía transversa faltante. El primer análisis es la primera búsqueda de bosones de Higgs pesados con violación de sabor que decaen en estados finales con múltiples leptones y múltiples b-jets, motivada por las tensiones tipo ttW y tttt reportadas por los experimentos ATLAS y CMS. Las señales de interés producen estados finales con un par de quarks top con el mismo signo, tres quarks top o cuatro quarks top. Se observa un exceso amplio en el espacio de parámetros de masa y acoplamientos, con una significancia local máxima de 2.8 desviaciones estándar. El segundo análisis es la primera búsqueda directa en el LHC de un lepton vectorial (VLL) doblete o singlete, que acople con leptones de primera y segunda generación del Modelo Estándar, motivada por el momento magnético anómalo del muón y anomalías en el sabor. No se observa un exceso significativo sobre el valor esperado del Modelo Estándar para los modelos estudiados, y hasta la fecha, se han establecido los límites más estrictos en la producción de VLLs de estos modelos. Finalmente, el tercer análisis presenta estudios preliminares para la búsqueda de VLLs acoplados preferentemente a fermiones de tercera generación del Modelo Estándar, en estados finales con múltiples leptones ligeros, leptones tau, b-jets y energía transversa faltante. La sensibilidad preliminar al modelo se estima a partir de estos canales y es competitiva con la de los canales solo tau a bajas masas de VLL, excluyendo VLLs hasta 1 TeV. Aunque no se observó un exceso significativo en las búsquedas, éstas contribuyen a buscar una extensión adecuada del Modelo Estándar y sirven como campo de prueba para técnicas avanzadas de análisis de datos a usar en futuros estudios.

Mi trabajo en la búsqueda de física más allá del Modelo Estándar se complementa con otros dos temas en esta disertación: el estudio de la degradación del rendimiento luminoso del TileCal con datos del integrador del ATLAS TileCal durante el Run 2 y la derivación de incertidumbres relacionadas con TileCal para la medición de luminosidad del ATLAS en el Run 3. El primer estudio proporciona información valiosa para la actualización de la Fase-II del TileCal y es esencial para el reprocesamiento de datos, afectando la determinación de incertidumbres en jets y energía transversa faltante. Se estimó que el efecto del daño y envejecimiento de los scintiladores y fibras en las celdas de TileCal varía entre 10% y 30%, según la ubicación respecto al punto de interacción. El segundo estudio afecta el conteo de eventos teóricos, utilizado en todas las mediciones del ATLAS y es un factor limitante en análisis de precisión. La incertidumbre en la determinación de luminosidad fue de 2.19% en 2022 (1.91% del TileCal) y de 2.04% en 2023 (1.2% del TileCal).

This dissertation describes my work on three diverse but related aspects of the ATLAS experiment at CERN. The central idea of this thesis is structured around searches for new phenomena in multilepton final states using data from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider during Run 2. Three distinct models, covering final states with multiple light leptons, tau leptons, jets and missing transverse energy are considered. The first analysis presented is the first-ever search for flavour violating heavy Higgs bosons decaying to multilepton plus multi b-jets final states, motivated primarily by the ttW -like and tttt-like tensions in data reported by the ATLAS and CMS experiments. The targeted signals lead to final states with either a same-sign top-quark pair, three top-quarks, or four top-quarks. A broad excess is observed over the considered parameter space of mass and couplings, with the largest local significance being 2.8 standard deviations. The second analysis is, yet again, the first-ever direct LHC search for a doublet or singlet vector-like lepton (VLL) coupling to first and second generation Standard Model leptons, motivated by the anomalous muon magnetic moment and flavor anomalies. No significant excess is observed over the SM expectation value for any of the models under study, and to-date, the strictest limits are placed on the production of VLLs from these models. Finally, the third analysis covered as part of this dissertation presents preliminary studies for the search for VLLs preferentially coupled to third generation SM fermions, in final states with multiple light leptons, tau-leptons, b-jets and missing transverse energy. The preliminary sensitivity to the model is estimated from the these channels and is competitive with that from tau-only channels at low VLL masses, which exclude VLLs up to 1 TeV. While no significant excess was seen in either of the searches, they serve as an attempt to add another piece to the jigsaw of finding a suitable extension of the SM, and a playground to build and test cutting-edge data analysis techniques for the next generation of analyses. My work on searching for BSM physics is complemented by the other two topics covered in this dissertation, on studying the TileCal light yield degradation with the data obtained by the integrator read-out of the ATLAS TileCal during Run 2 and deriving TileCal-related uncertainties for the ATLAS luminosity measurement in Run 3. The former study not only provides valuable feedback to the TileCal Phase-II upgrade plans, but is also essential for re-processing physics data and indirectly affects the determination of jet and missing transverse energy related uncertainties. The study estimated the effect of damage and ageing of the scintillators and wavelength shifting fibres in TileCal cells to be between 10% to 30% depending on the location of the cell from the interaction point. The latter measurement affects counting of the measured number of events of a certain theoretical process, is used by every ATLAS measurement using the dataset and is a limiting factor in precision analyses measuring physics cross-sections. The overall uncertainty in the luminosity determination in 2022 was estimated to be 2.19% (1.91% from TileCal) and in 2023 was estimated to be 2.04% (1.2% from TileCal).