Search for new phenomena in dijet angular distributions at s = 8 and 13 TeV

246 Pages·2016·15.09 MB·English

SEARCH FOR NEW PHENOMENA IN DIJET ANGULAR
√
8 13
DISTRIBUTIONS AT S = AND TEV
lene bryngemark
Thesis submitted for the degree of
Doctor of Philosophy
7
0
0
6-
1
0
2
S-
SI
E
H16
T0
N-/2
3
R0
E/
C18
2016

ABSTRACT
A new energy regime has recently become accessible in collisions at
the Large Hadron Collider at CERN. Abundant in hadron collisions,
the two-jet final state explores the structure of the constituents of
matter and the possible emergence of new forces of nature, in the
largest momentum transfer collisions produced. The results from
searches for phenomena beyond the Standard Model in the dijet
angular distributions are presented. The data were collected with the
ATLAS detector in proton-proton collisions at centre-of-mass energies
of 8 and 13 TeV, corresponding to integrated luminosities of 17.3 fb−1
and 3.6 fb−1, respectively. No evidence for new phenomena was seen,
and the strongest 95% confidence level lower limits to date were set
on the scale of a range of suggested models. This work details the
limits on the compositeness scale of quarks in a contact interaction
scenariowithtwodifferentmodesofinterferencewithStandardModel
processes, as well as on the threshold mass of quantum black holes in
a scenario with 6 extra spatial dimensions, and on the mass of excited
quark states. It also includes new exclusion limits on the mass of a
dark matter mediator and its coupling to fermions, as derived from
the contact interaction limits using an effective field theory approach.
The performance in ATLAS of the jet-area based method to correct
jet measurements for the overlaid energy of additional proton-proton
collisionsisalsopresented. Itremovesthedependenceofthejettrans-
versemomentumonoverlaidcollisionenergyfrombothsimultaneous
interactions and those in the neighbouring bunch crossings, and was
adopted as part of the jet calibration chain in ATLAS.
iii

POPULÄRVETENSKAPLIG SAMMANFATTNING
Hur förklarar vi vad som hände efter Big Bang? Hur är det möjligt att
titta 14 miljarder år tillbaka i tiden, isolera de första miljarddelarna
av en sekund, och studera vad som pågår precis där och då? Svaret
är såklart, att vi inte kan det. Det vi kan göra, är att om och om igen
återskapa några viktiga aspekter av de förhållanden som rådde då,
och studera vad som händer. Metoden vi använder är att omvandla
energi till partiklar med massa — precis som vi föreställer oss hände i
universums begynnelse. Det gör vi genom att accelererera upp stora
mängder av protoner — atomkärnor av universums lättaste och vanli-
gaste grundämne, väte — till höga energier i en partikelaccelerator,
och sedan låta dem kollidera. Runt kollisionspunkten placeras en
detektor. I kollisionerna kan tunga partiklar bildas eftersom det finns
så mycket energi tillgänglig. De tunga partiklarna sönderfaller sedan
till lättare partiklar, ibland i långa sönderfallskedjor fram till de lätta
partiklar som är det som universum består av idag. De växelverkar
med materialet i detektorn och ger upphov till elektriska signaler
som läses ut och används till att rekonstruera vad som bildades i
kollisionen. På så sätt kan vi få en glimt av vad som kunde hända
medden storatillgängliga energi somfanns koncentreradi enmycket
liten volym i universums begynnelse.
Den vanligaste typen av växelverkan mellan protonernas bestånds-
delar—kvarkarochgluoner,ellermedettgemensamtnamn:partoner
— är den så kallade starka kraften. I protonkollisionerna växelverkar
två partoner, och ett möjligt utfall är att nya partoner bildas med hög
energi, och slungas ut från kollisionspunkten. Men en egenskap hos
den starka kraften är att en parton aldrig kan isoleras! Istället bildas
kontinuerligt nya kvark/antikvark-par i dess kölvatten, av rörelsee-
nergin hos partonen, som successivt bromsas in av energiförlusten.
Resultatetblirenriktadskuravpartiklar—enjet—somtillsammans
har den energi och de andra kvantmekaniska egenskaper som parto-
v
nen fick i kollisionen. Genom att mäta jetens egenskaper kan vi säga
något om egenskaperna hos partonen som bildades.
Den här avhandlingen beskriver dels en metod för att noggrant
kunna mäta jetenergier även när mätningen påverkas av energi från
andra kollisioner, och dels hur vinklarna mellan jetpar kan användas
för att leta efter fenomen som inte beskrivs av den rådande teori som
beskriver vilka naturlagar (krafter och fundamentala partiklar) som
finns. Vi vet att det behövs en mer fundamental teori än den nuvaran-
de, eftersom det finns observationer som den inte förklarar, t ex den
storaskillnadenmellanmassornaavolikatyperavkvarkar.Enavden
experimentellapartikelfysikensviktigasteuppgifterjustnuärdärmed
att finna tecken på avvikelser från den rådande teorin, så att vi kan
börja ana på vilket sätt vi bättre kan beskriva universums bestånds-
delar och krafter. Avhandlingen visar att vid de mest högenergetiska
kollisioner vi hittills kunnat åstadkomma i en accelerator, har vi ännu
inte observerat några avvikelser från den rådande teorin.
vi
LIST OF PUBLICATIONS
Some of the original work described in this thesis has appeared previ-
ously in the following publications:
[1] ATLASCollaboration. Search for New Phenomena in Dijet Mass
√
andAngularDistributionsfrom ppCollisionsat s = 13TeVwith
the ATLAS Detector. PhysicsLettersB, 754:302 – 322, 2016.
[2] ATLAS Collaboration. Search for New Phenomena in the Dijet
√
Angular Distributions in Proton-Proton Collisions at s = 8 TeV
with the ATLAS Detector. Phys.Rev.Lett., 114:221802, 2015.
[3] ATLAS Collaboration. Performance of pile-up mitigation tech-
√
niques for jets in pp collisions at s = 8 TeV using the ATLAS
detector. TobepublishedinEPJC, 2015. arXiv:1510.03823.
[4] ATLAS Collaboration. Search for new phenomena in the dijet
√
mass distribution using p-p collision data at s = 8 TeV with the
ATLAS detector. Phys.Rev.D, 91:052007, 2015.
[5] ATLASCollaboration. Search for New Phenomena in Dijet Mass
√
and Angular Distributions with the ATLAS Detector at s =
13 TeV. Technical Report ATLAS-CONF-2015-042, CERN, Geneva,
Aug 2015.
[6] ATLAS Collaboration. Pile-up subtraction and suppression for
jets in ATLAS. Technical Report ATLAS-CONF-2013-083, CERN,
Geneva, Aug 2013.
[7] ATLAS Collaboration. Search for New Phenomena in the Dijet
Mass Distribution updated using 13.0 fb−1 of pp Collisions at
√
s = 8 TeV collected by the ATLAS Detector. Technical Report
ATLAS-CONF-2012-148, CERN, Geneva, Nov 2012.
vii

ACKNOWLEDGEMENTS
It takes a village to write a thesis. Countless are the people who have
contributed in one way or another to the work presented here, with
efforts ranging from building detectors to cooking and caring for me
whenworkhastakentoomuchofmytime. Iwillneverthelessattempt
to list a few I want to thank.
Torsten, who suggested the research topic of dijet distributions and
became my main supervisor. Always online, always there for physics
orcoffeeorboth,justwaitingtomakeadiscovery(I’msorrywedidn’t
yet). It’s safe to say that without you, this thesis would not have been.
Else, Johan, my co-supervisors, who gave me the blessing of not
worrying, but being encouraging and available when I needed it. A
special thanks to them and David for thesis draft reading.
Ariel,whotalksofjetswithcontagiousenthusiasmandknowsthere
is so much more we can do to extract all their secrets. I could not
have had a better start in ATLAS than I got from working with you. I
also thank John, who regrettably left physics, for patiently discussing
and condensing all my (and Ariel’s) wild pile-up ideas to a useful
conclusion and strategy.
Caterina. Dijets, jets in ATLAS, just ATLAS would not be the
same without you. Sharing code and expertise and cat pictures, you
thoroughly showed me what working in a team can be. You’re ready
tobothgiveadviceandgetyourownhandsdirty; Lundisbetterwith
you.
Tuva. You have to admit that this is one crazy adventure we started
together. Our paths from starting a Bachelor’s project to finishing a
PhD were increasingly parallel, but queerly similar — I can but don’t
want to imagine this time without you.
All my shorter and longer term colleagues (and you know I count
students) who have made the division kitchen such a lively place!
Anders, Bozena, Evert, Peter, the steady coffee and lunch crowd,
always up for a debate, and for support over the years. Florido and
ix
my fellow PhD students (Alejandro, Anders, Anthony, Martin, Sasha,
Tuva, Vytautas, and more recently Ben, Edgar, Trine and Katja) — for
coffee and beer, physics and politics, for lunches and dinners and
the opportunity to vent our fair share of collaboration frustration.
That same collaboration for making it all possible. The speedy dijet
team,strikingthricewithinayear,readytosolveanythingandontwo
occasions making our results public within weeks after data taking
finished. The numerous delightful people in the university’s most
charming LGBTQ network for employees, you know who you are.
HannoandKroonandLaurie,forfeedingandreading,fordiverting
my attention and listening to everything. Karin for laughter and all
too rare long breakfasts and for always letting me leave the dishes.
Pauline,forhousingmeduringmyyearatCERN,forwarmfriendship
andinvitingmetojoinanythingfromdinnerstorunningbeforedawn.
Lotte for in turn housing my cat that year, and Julius-Lisa, that same
cat for — I dare say — love and support.
The pursuit of a PhD is the hardest on, and least gratifying for, the
persons closest to you. Elina, words will never be enough. Thank you
for letting me get absorbed, and waiting for me to come out again.
This one is for you.