Καθορισμός της ιδιοστροφορμής και της ομοτιμίας του μποζονίου Higgs στο κανάλι διάσπασης WW* -> eνμν με τον ανιχνευτή ATLAS

Abstract

So far, the Standard Model is the most successful theory to summarise our knowledge on Particle Physics. The fundamental particles, which are the constituents of our universe, as well as their interactions via the fundamental forces are elegantly explained in a concise way. The last building block, predicted by the Standard Model, the Higgs boson, was portrayed as the "Holy Grail" of particle physics, due to the unsuccessful experimental searches for it, going back five decades.At the Large Hadron Collider the collaboration of thousands of scientists and researchers across various fields, a significant breakthrough was achieved in its first data taking period: a new resonance was found in the searches for the predicted Standard Model Higgs boson. Precision measurements were employed to measure the mass of the resonance with the least possible uncertainty. This dissertation focuses on the H → WW∗ → `ν`ν decay channel using the data collected with the ATLAS detector during 2012 at 8 TeV center of mass energy. This channel is one of the discovery channels, with quoted observed excess of 6.1 standard deviations over the background only hypothesis and with an expected of 5.8. The discovery of a new resonance compatible with the Higgs boson is not enough to validate that is indeed the well-sought boson. For this reason, additional studies have been employed to identify the properties of the new resonance. The studies of the Spin and CP properties of the new resonance with data from the ATLAS detector are presented in this thesis. The results show that the spin number is confidently found to be zero. Similarly, only small deviations from the SM are observed in the CP study, but are comfortably compatible with it within the uncertainties. The possibility of mixed CP states was also studied and according to the Run-I data it is not fully excluded. This is exciting news for the Run-II era of the LHC.

Μέχρι στιγµής το Καθιερωµένο Πρότυπο είναι η πιο επιτυχηµένη ϑεωρία που περιγράφει την γνώσηµας πάνω στη Σωµατιδιακή Φυσική. Τα στοιχειώδη σωµατίδια, που είναι τα ϐασικά συστατικά τουσύµπαντος, καθώς και οι αλληλεπιδράσεις τους διαµέσω των στοιχειωδών δυνάµεων, εξηγούνταιµε κοµψό και συνοπτικό τρόπο. Το τελευταίο κοµµάτι που προβλέπεται από το ΚαθιερωµένοΠρότυπο, είναι το µποζόνιο Higgs, το οποίο και απεικονίζεται σαν το Ϊερό ∆ισκοπότηρο¨ της Σωµατιδιακής Φυσικής, εξαιτίας της άκαρπης πειραµατικής προσπαθειας εύρεσης του, προσπάθεια που διαρκεί τις τελευταίες πέντε δεκαετίες. Στον Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή (LHC) µε τη συνεργασία χιλιάδων επιστηµόνων και ερευνητών από διαφορετικά πεδία εξειδίκευσης, µια σηµαντική ανακάλυψη πραγµατοποιήθηκε στην πρώτη περίοδο λήψης δεδοµένων από τον νέο επιταχυντή και τους ανιχνευτές που ϕιλοξενεί : ένα νέο σωµατίδιο ϐρέθηκε κατά τη διάρκεια των ερευνών για το προβλεπόµενο µποζόνιο Higgs του Καθιερωµένου προτύπου. Ακολούθησαν µετρήσεις ακριβείας για τον προσδιορισµό της µάζας αυτού του νέου σωµατιδίου µε το ελάχιστο δυνατό σφάλµα. Αυτή η διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στο κανάλι διάσπασης H → WW∗ → `ν`ν και χρησιµοποιεί δεδοµένα που συλλέχθηκαν από τον ανιχνευτή ATLAS το 2012 στα 8 TeV ενέργεια κέντρου µάζας. Το κανάλι αυτό αποτελεί ένα από τα κανάλια τα οποία ανακάλυψαν στα δεδοµένα τους το νέο αυτό σωµατίδιο, µε περίσσεια δεδοµένων της τάξης των 6.1 τυπικών αποκλίσεων πάνω από την υπόθεση υποβάθρου µόνο, ενώ αναµένονταν 5.8 τυπικές αποκλίσεις. Η ανακάλυψη ενός νέου σωµατιδίου το οποίο είναι συµβατό µε το σωµατίδιο Higgs δεν είναι αρκετή ώστε να επικυρώσει ότι όντως ϐρέθηκε το πολυ-αναζητούµενο µποζόνιο. Γι΄ αυτόν τον λόγο, επιπλέον µελέτες πραγµατοποιήθηκαν για να καθοριστούν οι ιδιότητες του νέου σωµατιδίου.Ο καθορισµός των ιδιοτήτων της ιδιοστροφορµής και της οµοτιµίας του νέου αυτού σωµατιδίου απότα δεδοµένα του ανιχνευτή ATLAS είναι ο κύριος σκοπός αυτής της διατριβής. Τα αποτελέσµαταδείχνουν ότι η ιδιοστροφορµή του σωµατιδίου ϐρέθηκε να είναι σίγουρα µηδέν, συµβαντή µε τιςπροβλέψεις του µοντέλου. Οµοίως, µόνο µικρές αποκλίσεις από τις προβλέψεις του ΚαθιερωµένουΠροτύπου παρατηρούνται στην µελέτη της οµοτιµίας, αλλά είναι απόλυτα συµβατές µε το µοντέλοµέσα στα όρια της αβεβαιότητας. Η πιθανότητα το νέο σωµατίδιο να είναι µίξη ιδιοκαταστάσεωντου τελεστή της οµοτιµίας µελετήθηκε επίσης κι από τα δεδοµένα µέχρι τώρα, η πιθανότητα αυτήδε µπορεί να αποκλειστεί πλήρως. Αυτά είναι συναρπαστικά νέα για την δεύτερη περίοδο λήψηςδεδοµένων στον LHC.