A Search for Displaced Leptons in the ATLAS Detector

ISBN-13: 9783030916749 / Angielski / Miękka / 2023 / 146 str.

Lesya Horyn

Opis

This thesis presents a search for long-lived particles decaying into displaced electrons and/or muons with large impact parameters. This signature provides unique sensitivity to the production of theoretical lepton-partners, sleptons. These particles are a feature of supersymmetric theories, which seek to address unanswered questions in nature. The signature searched for in this thesis is difficult to identify, and in fact, this is the first time it has been probed at the Large Hadron Collider (LHC). It covers a long-standing gap in coverage of possible new physics signatures. This thesis describes the special reconstruction and identification algorithms used to select leptons with large impact parameters and the details of the background estimation. The results are consistent with background, so limits on slepton masses and lifetimes in this model are calculated at 95% CL, drastically improving on the previous best limits from the Large Electron Positron Collider (LEP).

Spis treści

Table of Contents

LIST OF FIGURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii

LIST OF TABLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xx

LIST OF ACRONYMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxvii

ACKNOWLEDGMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxvii

ABSTRACT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxix

I INTRODUCTION AND MOTIVATION

1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 THEORY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1 The Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.1 Leptons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.2 Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1.3 Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Electroweak Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Strong Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.4 Higgs Boson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.1.5 Conserved Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1.6 Shortcomings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2 Supersymmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2.1 Minimal Supersymmetric Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . 12

Relationship to Standard Model Problems . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2.2 Gauge Mediated Supersymmetry Breaking . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2.3 Other Theoretical Models Producing Displaced Leptons . . . . . . . . 18

II THE EXPERIMENT

3 THE LARGE HADRON COLLIDER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.1 A Circular Proton-Proton Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.2 Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.3 Injection Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.4 Luminosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.4.1 Pileup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4 THE ATLAS DETECTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.1 Coordinate System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.2 Inner Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.2.1 The Pixel Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.2.2 The Silicon Microstrip Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

iv

4.2.3 The Transition Radiation Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.2.4 Solenoid Magnet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.3 Calorimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.3.1 Electromagnetic Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.3.2 Hadronic Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.3.3 Forward Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.4 Muon Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.4.1 Monitored Drift Tubes and Cathode-Strip Chambers . . . . . . . . . 42

MDT Timing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.4.2 Resistive Plate Chambers and Thin Gap Chambers . . . . . . . . . . 44

4.4.3 Toroid Magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.5 Particles in ATLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.6 Trigger and Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.6.1 Trigger architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.6.2 Triggers Used For This Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5 OBJECT RECONSTRUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.1 Track Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.1.1 Tracking Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Kalman Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Hough Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.2 Standard Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.2.1 Large Radius Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.2.2 Primary Vertex Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.3 Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.3.1 Standard Reconstruction and Identication . . . . . . . . . . . . . . . 58

MS Track Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Combined Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Muon Identication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.3.2 Modications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5.4 Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.4.1 Standard Reconstruction and Identication . . . . . . . . . . . . . . . 61

Cluster Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Combined Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Identication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5.4.2 Modications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.5 Overlap Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.6 Isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

6 DATA AND MONTE CARLO SAMPLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

6.1 Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

6.2 Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

III LONG LIVED PARTICLE CONTEXT

v

7 SEARCHING FOR LONG LIVED PARTICLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

7.1 Lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

7.2 Particle Decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

7.3 Searches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

7.3.1 Common Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

8 EXPERIMENTAL CONTEXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

8.1 Previous Searches for Displaced Leptons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

8.1.1 LEP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

8.1.2 CMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

8.2 Other Signatures with Sensitivity to Long Lived Sleptons . . . . . . . . . . . 85

8.2.1 Disappearing Tracks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

8.2.2 Heavy Stable Charged Particle Tracks . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

IV SEARCH FOR DISPLACED LEPTONS

9 EVENT SELECTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

9.1 Analysis Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

9.1.1 Background Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

9.2 Event Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

9.3 Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

9.4 Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

9.5 Acceptance and Eciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

10 BACKGROUNDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

10.1 Background to SR-ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

10.1.1 Fakes and Heavy Flavor Decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

10.1.2 Background Estimate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

10.1.3 Validation and Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . 101

10.1.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

10.2 Background to SR-e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

10.2.1 Fake Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

10.2.2 Background Estimate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

10.2.3 Validation and Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . 104

10.2.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

10.3 Background to SR- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

10.3.1 Cosmic Muon Identication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

10.3.2 Properties of Events with Cosmic Tagged Muons . . . . . . . . . . . 110

10.3.3 Background Estimate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

10.3.4 Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

10.3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

10.4 Negligible Backgrounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

10.4.1 Material Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

10.4.2 Fake Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

10.4.3 Heavy Flavor Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

vi

10.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

11 SIGNAL SYSTEMATICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

11.1 Displaced Lepton Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

11.1.1 Prompt Lepton Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

11.1.2 Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

11.1.3 Lepton Displacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

11.1.4 Other Sources of Uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

Pileup Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

Theoretical Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Luminosity Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

V RESULTS

12 RESULTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

12.1 Signal Yield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

13 INTERPRETATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

13.1 Slepton Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

13.1.1 Comparison to LEP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

13.2 Model-Indpendent Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

14 CONCLUSIONS AND FUTURE IMPROVEMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . 145

REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

O autorze

Dr. Lesya Horyn is a particle physics researcher. She grew up in New York, where her parents fostered a love of science and learning.. She began doing physics research at the American Museum of Natural History in New York City. She then received a Bachelor of Science from Tufts University, where she began working on the ATLAS experiment with collaborators both at Tufts and as a Research Experience for Undergraduates student at Duke University. She then completed a Ph. D at University of Chicago, where she performed the work presented in this thesis under the supervision of Professor Young-Kee Kim and Dr. Tova Holmes. She currently works on the CMS experiment with Fermi National Accelerator Laboratory and resides in Geneva, Switzerland. In her spare time, she likes reading, cycling, and traveling near and far.