Search for resonnances in diJet and multijet events from proton-proton collisions at a center of mass energy of 13 TeV collected with the CMS detector at the CERN LHC

Abstract

In this dissertation we present searches for physics beyond the Standard Model, in events with hadronic jets in the final state, using the data collected with the CMS experiment at the CERN LHC, from proton-proton collisions at a center of mass energy of 13 TeV. In the first part we present the search for resonances using events with two hadronic jets in the final state, using parametric methods to describe the spectrum of their invariant mass. Then, we present the current analysis searching for new physics in events with four hadronic jets in the final state, two coming from a possible new resonance, which takes place for the first time at the LHC. The motivation for this search has been the event with the highest dijet invariant mass of the first search, which has a rather low probability of coming from the main background from multijet Quantum Chromodynamics production. For both analyses, we present detailed studies of the data quality, their stability as a function of time, and the trigger performance. Then we present the optimization of the signal selection criteria. We also show the estimation of the main background together with its systematic uncertainties from the actual data through parametric fits using empirical functions. Particular emphasis is given to the high masses (> 8 TeV) of resonances, where there is an excess of data in comparison to the prediction from the standard model. The final results include the extraction of model independent upper limits on the differential production cross section of new resonances as a function of their mass, and also model dependent mass and coupling ones, using a variety of new physics models. In addition, the significances, both local and global, of excesses are estimated. In addition to the physics analysis, we present the methodology and results for the extraction of the jet energy corrections of all different types of hadronic jets, which are utilized by all physics analyses of CMS. Finally, we give the summary and the outlook of these searches with the data expected in Run III (2022-2025) and in the High Luminosity LHC (2025-onwards) era.

Στην διατριβή αυτή μελετάμε την αναζήτηση φυσικής πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου, σε γεγονότα με αδρονικούς πίδακες στη τελική κατάσταση, χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του πειράματος CMS από συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου με ενέργεια κέντρου μάζας στα 13 TeV. Στο πρώτο μέρος παρουσιάζουμε την ερευνα για αναζήτηση συντονισμών χρησιμοποιώντας γεγονότα με δύο αδρονικούς πίδακες στη τελική κατάσταση, μελετώντας το φάσμα της αναλλοίωτης μάζας τους χρησιμοποιώντας παραμετρικές μεθόδους για την περιγραφή της. Εν συνεχεία παρουσιάζουμε την τρέχουσα ανάλυση που αφορά στην αναζήτηση νέας φυσικής σε γεγονότα με τέσσερις αδρονικούς πίδακες στην τελική κατάσταση, ανά δύο προερχόμενοι από πιθανό νέο συντονισμό, που πραγματοποιείται για πρώτη φορά στον LHC. Αφορμή για την αναζήτηση αυτή έχει σταθεί το γεγονός με την υψηλότερη αναλλοίωτη μάζα στην πρώτη ανάλυση, που έχει χαμηλή πιθανότητα να προέρχεται από το κύριο υπόβαθρο της Κβαντικής Χρωμοδυναμικής. Και για τις δύο αναλύσεις, παρουσιάζουμε λεπτομερείς μελέτες της ποιότητας των συλλεγόμενων δεδομένων και της σταθερότητάς τους σαν συνάρτηση του χρόνου, καθώς και μελέτες για τον προσδιορισμό της απόδοσης του σκανδαλισμού. Μετά παρουσιάζουμε την βελτιστοποίηση των κριτηρίων επιλογής σήματος. Στην συνέχεια παρουσιάζουμε την εκτίμηση του κύριου υποβάθρου και των συστηματικών του αβεβαιοτήτων από τα πραγματικά δεδομένα μέσω προσαρμογών με χρήση εμπειρικών συναρτήσεων. Ιδιαίτερη έμφαση δίδεται στις υψηλές μάζες (> 8 ΤeV) συντονισμών, που παρατηρείται και περίσσεια δεδομένων σε σχέση με την πρόβλεψη από το καθιερωμένο πρότυπο. Τα τελικά αποτελέσματα περιλαμβάνουν την εξαγωγή ανώτερων ορίων στην διαφορική ενεργό διατομή παραγωγής νέων σωματιδίων, αλλά και στην μάζα και την σταθερά σύζευξής τους χρησιμοποιώντας πλειάδα μοντέλων νέας φυσικής. Επιπρόσθετα, προσδιορίζονται και οι σημαντικότητες (τοπική και ολική) όπου παρατηρείται περίσσεια δεδομένων σε σχέση με την πρόβλεψη από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Παράλληλα με την ανάλυση φυσικής, παρουσιάζουμε αποτελέσματα σχετικά με τη διόρθωση της ενέργειας των αδρονικών καταιγισμών όλων των διαφορετικών τύπων, οι οποίες χρησιμοποιούνται από όλες τις αναλύσεις του πειράματος. Τέλος, δίνουμε την σύνοψη αλλά και τις δυνατότητες αυτών των αναζητήσεων με τα δεδομένα που αναμένονται για στην Run III (2022-2025) και τo High Luminosity LHC (2025-onwards).