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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.43.2015.tde-06112015-150655
Documento
Autor
Nome completo
Rafael Marcelino do Carmo Silva
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2015
Orientador
Banca examinadora
Eboli, Oscar Jose Pinto (Presidente)
Bertuzzo, Enrico
Gregores, Eduardo de Moraes
Lessa, Andre Paniago
Silva, Adilson Jose da
Título em português
Descoberta e discernimento de supersimetria versus dimensões extras universais no CERN LHC
Palavras-chave em português
Análise estatística de dados.
Fenomenologia
Física de partículas
Supersimetria
Teoria de campos
Resumo em português
Estimar de forma realista o alcance de descoberta de um experimento de colisão de altas energias, como o realizado no Large Hadron Collider (LHC) do CERN, é uma tarefa complexa, principalmente em vista das técnicas de simulação de eventos e dos métodos de estatística multivariada utilizadas pelas colaborações experimentais na comparação dos dados com as predições teóricas. Descobrir uma nova partícula, contudo, é apenas o primeiro passo na investigação experimental. De modo a estabelecer qual dos eventuais modelos teóricos concorrentes é favorecido pelos dados, torna-se imprescindível o estudo das propriedades desta nova partícula e de suas interações com o restante do espectro. Informações como os números quânticos de spin, conjugação de carga ($C$) e paridade ($P$), podem ser obtidas através do estudo das correlações entre os momentos das partículas produzidas codificadas nas distribuições cinemáticas. O discernimento entre os vários modelos, portanto, passa a ser um problema de combinar todas estas informações de forma eficiente e compará-las aos dados experimentais através de um teste estatístico e decidindo, assim, pela confirmação ou não de um novo sinal e sobre o modelo que melhor explica aqueles dados. No trabalho realizado nesta tese, investigamos o limite do LHC, operando a uma energia de centro-de-massa de 14 TeV, para a descoberta de um modelo supersimétrico (SUSY) simplificado e de seu discernimento em relação a um modelo de dimensões extras universais mínimas (MUED), usando eventos de produção de novas partículas coloridas decaindo, através de cadeias curtas, em jatos e missing energy. Nossa abordagem avança em diversos aspectos em comparação a fenomenologias mais simplificadas: utilizando uma análise estatística multivariada, levando em conta incertezas sistemáticas nas normalizações das seções de choque e no formato das distribuições, empregando técnicas de identificação de jatos de quarks e glúons para uma melhor separação dos backgrounds do Modelo padrão (MP), escaneando e otimizando os cortes retangulares, simulando eventos de forma cuidadosa e com correções de ordem superior da cromodinâmica quântica (QCD). Eventos de SUSY e MUED foram simulados para 150 diferentes espectros de massa, ainda não excluídos pelo LHC, e estimamos o potencial de descoberta e de discernimento SUSY versus MUED no plano de massas de squarks e gluinos utilizando as técnicas acima mencionadas. Mostramos, em primeiro lugar, que mesmo de forma simplificada, inserir incertezas sistemáticas é essencial para uma estimativa mais realista do potencial do acelerador, principalmente no que diz respeito ao aumento de luminosidade integrada. Para incertezas nas normalizações da ordem de 20%, o ganho no potencial de busca torna-se mais limitado. Por exemplo, passando de 100 a 3000 fb$^{-1}$, o alcance na massa dos squarks aumenta de 2.8 para ~ 3.1$ TeV, ao passo que, sem levar em conta estas incertezas, a estimativa é mais otimista, indo de 3.0 a ~ 3.5 TeV para as mesmas luminosidades. Performance similar é observada no discernimento SUSY versus MUED, onde é possível obter uma significância de $5\sigma$ para massas de squarks de até ~ 2.7 TeV e gluinos ~ 5 TeV, mantendo-se as incertezas sistemáticas a um nível menor do que 10% aproximadamente. De forma geral, concluímos que um modelo supersimétrico simplificado, como o estudado aqui, pode ser descoberto e confirmado (em relação a um dos seus mais populares concorrentes, MUED) para um espectro com squarks, gluinos e neutralinos de aproximadamente 2.5, 5.0 e 0.3 TeV, respectivamente, se as incertezas sistemáticas puderem ser controladas a um nível de 10 % ou menos, após 3 ab$^{-1}$ de luminosidade integrada.
Título em inglês
Discovery and Discrimination of Supersymmetry versus Universal Extra Dimensions at CERN LHC
Palavras-chave em inglês
Field theory
Particle physics
Phenomenology
Statistical data analysis.
Supersymmetry
Resumo em inglês
The problem of estimating, in a realistic way, the reach of an experiment in high energy physics, such as the CERN Large Hadron Collider (LHC), is a difficult task. Specially due to the simulations techniques and the multivariate statistics for data and theory comparisons, used by experimental collaborations. The discovery of a new particle is just the first step in the experimental exploration. The properties of this particle, like parity, spin and charge are conditions to assert which physics model is favored by the collected data. It is possible to measure these properties with the analyses of the particle momentum correlations through the kinematical distributions. The discriminations among different models turns into a problem of combining all this informations, in a efficient way, and compare with experimental data through a statistical test, and choosing for the confirmation or exclusion of a signal and which model best describes the data. In this work, we investigate the limits of the LHC, working in a center of mass energy of 14 TeV, for the discovery of a simplified model of supersymmetry (SUSY) and the discrimination with a model of minimal universal extra dimensions (MUED), using productions of heavy colored particles decaying, through short decays chains, in jets and missing energy. Our approach progresses in different aspects compared with simplified phenomenological analyses: we used a multivariate statistical analysis, considered systematical uncertainties in the rate and shape of distributions, implemented techniques of quarks and gluons jet tagging identification for a good separation between signal and backgrounds, scanning for the best rectangular cuts and simulating events in a careful way with 1-loop corrections from quantum chromodynamics. Our events were simulated for 150 different mass spectrums, not excluded by the LHC, and we estimate the potencial for discovery and discrimination of SUSY versus MUED in a squarks-gluinos mass plane, using the techniques mentioned above. We proved, in first place, that even in a simplified way, inserting systematical uncertainties it's essential for an estimative more realistic of the collider's reach, mainly with the increasing of integrated luminosity. For systematical rate uncertainties in the distribution of 20%, the gain in the discovery potencial is very limited. For example, increasing from 100 to 3000 fb$^{-1}$, the reach in the squark mass increase from ~ 2.8 to 3.1 TeV. On the other hand, without systematical uncertainties in rate distributions, the reach is more optimistic, from 3.0 TeV to ~ 3.5 TeV, for the same luminosities. Similar performance was observed in the discrimination of Susy versus MUED, where it's possible to obtain significance of $5\sigma$ for squark masses up to ~ 2.7$ TeV and gluinos of ~ 5 TeV, keeping systematical uncertainties at a level about 10%. In general, we conclude that a supersymmetryc model, like we studied here, can be discovered and confirmed (compared to one of its more popular competitors, MUED) for a mass spectrum of squarks, gluinos and neutalinos about 2.5, 5.0 and 0.3 TeV, respectively, if it's possible to control the systematical uncertainties at a level about 10%, after 3 ab$^{-1}$ of integrated luminosity.
 
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Data de Publicação
2015-11-06
 
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