Electroweak measurements via the vector boson scattering process pp->ZZjj with the ATLAS detector at the LHC

Abstract

Electroweak symmetry breaking (EWSB) holds a central role within the Standard Model (SM) of particle physics, providing an explanation for the origin of elementary particle masses through their interactions with the Higgs field. Since the discovery of the Higgs boson, in-depth investigations into EWSB have become a primary focus of research at the Large Hadron Collider (LHC). In addition to directly studying the properties of the Higgs boson, the scattering of two massive vector bosons (VBS) offers a vital avenue for probing the mechanisms of EWSB. At the LHC, VBS processes are initiated through proton-proton collisions, where initial state quarks emit two vector bosons that subsequently interact to produce another pair of vector bosons. These processes have been observed in various massive boson channels, including WW, WZ, ZZ, Zγ, and Wγ channels, although it is important to conduct more comprehensive measurements of the VBS processes to enhance our understanding of the EWSB. This analysis presents detailed differential cross-section measurements of several kinematic variables in both the VBS-enhanced and VBS-suppressed regions within the ZZjj channel. The measurements are based on proton-proton collision data collected by the ATLAS experiment at a center-of-mass energy of √s = 13 TeV, utilizing an integrated luminosity of 140 fb−1 . In the VBS ZZjj channel, both Z bosons decay into pairs of charged leptons (ee or μμ). This specific final state offers sensitivity to both the strong 4ljj process, where jets originate from strong interactions, and the electroweak 4ljj process, characterized by the t-channel exchange of an electroweak boson. In addition to these measurements, further explorations will be undertaken to interpret these results in the context of Beyond the Standard Model (BSM) theories based on the expected and observed event yields. More particularly, the thesis explores the sensitivity of the anomalous Quartic Gauge Couplings (aQGC) to describe deviations from the SM in the context of the VBS. Key findings are summarized, including the contribution and sensitivity of various QGC operators to the total cross-section of the VBS ZZjj process and also the significance of kinematic variables, such as the invariant mass of the Z-boson pair, as probes for QGC effects. In addition, the use of Optimal Observables distributions to estimate anomalous QGCs is explored, highlighting their potential to enhance the limits on the Wilson dimension-8 coefficients. Moreover, a particular emphasis in this research has been placed on the Fast TracKer (FTK) system, a dedicated hardware solution for the Trigger and Data Acquisition system of the ATLAS detector, designed for the recognition and reconstruction of all tracks with transverse momentum (pT) exceeding 1 GeV. The complexity of the FTK system is evident through the integration of numerous electronic devices. Among these, the Associated Memory (AM) chips are particularly important, which store pre-simulated track patterns and compare them with patterns in the real data. A substantial portion of this work was dedicated to testing, debugging, and commissioning the Associative Memory Boards (AMB) that host the AM chips of the FTK. Additionally, since the FTK system relies on information from the silicon layers of the Inner Detector (ID) to calculate essential track parameters, an online framework for high-level data quality monitoring of the tracking algorithm was developed. The PhD thesis comprises four main parts; Part I presents a fundamental theoretical overview, providing a foundational understanding of the underlying physics theories. It explores the SM of particle physics, outlining the symmetries that underpin it. Part II introduces the LHC and provides detailed insights into the ATLAS experiment. An overview of the LHC is offered, followed by a extensive description of the ATLAS detector, including its hardware components and computing infrastructure. Part III delves into the extensive studies on differential cross-section measurements in the ZZjj → 4ljj production process using the ATLAS detector and finally, Part IV focuses on the dimension-8 Effective Field Theory (EFT) interpretation and the various studies that have been conducted in order to extract limits for the Wilson coefficients associated with the OT operator of the Eboli Model.

Το σπάσιμο της ηλεκτρασθενούς συμμετρίας (Electroweak symmetry breaking - EWSB) κατέχει κεντρικό ρόλο στο Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model SM) της Σωματιδιακής Φυσικής επεξηγώντας επιτυχώς την προέλευση των μαζών των στοιχειωδών σωματιδίων μέσω των αλληλεπιδράσεών τους με το πεδίο Higgs. Μετά της ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, οι εκτεταμμένες έρευνες που αφορούν την EWSB, έχουν γίνει το κύριο αντικείμενο του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή (LHC). Εκτός από την άμεση μελέτη των ιδιοτήτων του μποζονίου Higgs, η σκέδαση ανυσματικών μποζονίων (VBS) αποτελεί ένα χρήσιμο εργαλείο για τη διερεύνηση των μηχανισμών που διέπουν την EWSB.Στον LHC, οι σκεδάσεις των ανυσματικών μποζονίων βαθμίδας πραγματοποιούνται μέσω συγκρούσεων πρωτονίου-πρωτονίου, όπου quarks που βρίσκονται στην αρχική τους κατάσταση εκπέμπουν δύο ανυσματικά μποζόνια τα οποία με τη σειρά τους αλληλεπιδρούν, με αποτέλεσμα την παραγωγή ενός ζεύγους από ανυσματικά μποζόνια. Αυτές οι διαδικασίες έχουν παρατηρηθεί σε διάφορα κανάλια που περιέχουν δύο μποζόνια, όπως τα WW, WZ, ZZ, Zγ και Wγ, παρόλα αυτά είναι σημαντική η συνέχιση της διεξαγωγής λεπτομερών μετρήσεων των διαδικασιών VBS ώστε να ενισχύσουμε την καταννόησή μας όσον αφορά την EWSB.Η παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζει τις λεπτομερείς μετρήσεις των διαφορικών ενεργών διατομών κινηματικών παραμέτρων σε δύο περιοχές του ανιχνευτή ATLAS οι οποίες ορίζονται με βάση κινηματικά κριτήρια με σκοπό την ενίσχυση ή καταστολή του σήματος που προέρχεται από διεργασίες VBS στο κανάλι ΖΖjj. Οι περιοχές αυτές ορίζονται ως VBS-Enhanced και VBS-Suppressed, αντίστοιχα. Οι μετρήσεις βασίζονται σε δεδομένα συγκρούσεων πρωτονίου-πρωτονίου τα οποία έχουν συλλεχθεί από το πείραμα ATLAS στον LHC σε ένεργεια κέντρου μάζας √s = 13 TeV, με ολοκληρωμένη φωτεινότητα 140 fb-1. Στο υπό μελέτη κανάλι ZZjj, και τα δύο μποζόνια Ζ διασπώνται σε ζεύγη φορτισμένων λεπτονίων (ee ή μμ). Η συγκεκριμένη τελική κατάσταση, παρουσιάζει ευαισθησία σε “ισχυρές” διεργασίες 4ljj , όπου οι πίδακες (jets) προέρχονται από ισχυρές αλληλεπιδράσεις, καθώς επίσης και σε ηλεκτρασθενείς διεργασίες 4ljj, οι οποίες χαρακτηρίζονται από ανταλλαγή ενός ηλεκτρασθενούς μποζονίου στο t-channel. Εκτός από τις μετρήσεις διαφορικών ενεργών διατομών, επιπλέον έρευνες διεξάγονται για την ερμηνεία των αποτελεσμάτων στο πλαίσιο των θεωριών Πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο (BSM). Πιο συγκεκριμένα, η παρούσα διατριβή εξετάζει την ευαισθησία των ανώμαλων Τετραπλών Συζεύξεων Μποζονίων (aQGC) με σκοπό να περιγράψει και να εξηγήσει πιθανές αποκλίσεις από το SM στα πλαίσια των διεργασιών VBS. Παρουσιάζονται οι μελέτες και τα ευρήματα που αφορούν την ευαισθησία και τη συνεισφορά των QGC παραμέτρων (συντελεστές Wilson 8ης διάστασης) στην ενεργό διατομή της διεργασίας VBS ZZjj, καθώς επίσης και την σημασία των κινηματικών μεταβλητών, όπως είναι η αναλλοίωτη μάζα του ζεύγους μποζονίων Ζ, ως εργαλεία για την ανίχνευση της επίδρασης των QGC. Επιπλέον, διερευνάται η χρήση των κατανομών Optimal Observables για την εκτίμηση των QGC, δίνοντας έμφαση στην δυνατότητά τους να χρησιμοποιηθούν ως εναλλακτικά μεγέθη στη διαδικασία ορισμού ορίων των συντελεστών Wilson.Τέλος, ιδιαίτερη έμφαση έχω δοθεί στο σύστημα Fast TracKer (FTK), ένα ενσωματωμένο υλικό του συστήματος Σκανδαλισμού και Λήψης Δεδομένων (Trigger and Data Acquisition) του ανιχνευτή ATLAS, το οποίο σχεδιάστηκε για την αναγνώριση και την ανακατασκευή τροχιών με εγκάρσια ορμή (pT) μεγαλύτερη του 1 GeV. Η πολυπλοκότητα του συστήματος FTK είναι εμφανής μέσω της ενσωμάτωσης πολυάριθμων ηλεκτρονικών διατάξεων. Μεταξύ αυτών, ιδιαίτερη σημασία έχουν τα Associated Memory chips, τα οποία αποθηκεύουν προσομοιωμένες τροχιές για μετέπειτα σύγκριση με τροχιές από πραγματικά γεγονότα. Ένα σημαντικό μέρος αυτής της εργασίας, αφιερώθηκε στον έλεγχο, τον εντοπισμό σφαλμάτων και την εγκατάσταση των Associative Memory Boards (ΑΜΒ) που φιλοξενούν τα AM chips του FTK στον ανιχνευτή ATLAS. Επιπλέον, δεδομένου ότι το σύστημα FTK βασίζεται σε πληροφορίες από τα στρώματα πυριτίου του Εσωτερικού Ανιχνευτή του ATLAS για τον υπολογισμό των βασικών παραμέτρων της τροχιάς, αναπτύχθηκε ένα λογισμικό για την παρακολούθηση σε υψηλό-επίπεδο (high-level) της ποιότητας δεδομένων που εξάγονται από το σύστημα FTK. Η διδακτορική διατριβή περιλαμβάνει τέσσερα κύρια μέρη. Το Μέρος 1 παρουσιάζει μια θεωρητική επισκόπηση, παρέχοντας μια περιγραφή των θεμελιωδών θεωριών που πλαισιώνουν το SM, καθώς επίσης και των συμμετριών που το διέπουν. Το Μέρος 2 κάνει μια εισαγωγή στον LHC και παρέχει λεπτομερείς πληροφορίες για το πείραμα ATLAS περιγράφοντας εκτενώς τα υποσυστήματα του ανιχνευτή καθώς και την υπολογιστική του υποδομή. Το Μέρος 3]εμβαθύνει στις μελέτες μέτρησης των διαφορικών ενεργών διατομών στη διεργασία παραγωγής ZZjj → 4ljj με τον ανιχνευτή ATLAS και τέλος, το Μέρος 4 επικεντρώνεται στην ερμηνεία των συντελεστών Wilson 8ης διάστασης της Effective Field Theory (EFT), καθώς επίσης και στις διάφορες μελέτες που έχουν διεξαχθεί προκειμένου να εξαχθούν τα όρια αυτών των συντελεστών και πιο συγκεκριμένα της ομάδας συντελεστών που σχετίζονται με τον τελεστή OT του μοντέλου Eboli.