Search for strongly produced supersymmetric particles with the ATLAS detector and interpretation in the pMSSM

par Marija Marjanovic

Thèse de doctorat en Physique des particules

Le président du jury était Achille Stocchi.

Le jury était composé de Sophie Henrot-Versillé, Marija Vranjes Milosavjevic, Achille Stocchi, Andreas Hoecker, Tilman Plehn, Petar Adzic.

Les rapporteurs étaient Andreas Hoecker, Tilman Plehn.

  • Titre traduit

    Recherche de particules supersymmetriques aupres du detecteur ATLAS et interpretation dans le pMSSM


  • Résumé

    Cette thèse a été effectuée dans le cadre de la recherche de la supersymmetrie (SUSY) avec 20.3 fb^{-1} de collisions proton-proton délivrées par le LHC et collectées par le détecteur ATLAS à sqrt{s} = 8 TeV. Si SUSY est réalisée dans la nature, des squarks (partenaires des quarks) et des gluinos (partenaires des gluons) devraient être produits à cette énergie, et on attend à ce qu'ils se désintègrent en états finaux sans electron ni muon, plusieurs jets et de l'énergie transverse manquante (due à la production de la particule SUSY la plus légère (LSP) qui traverse le détecteur sans être observée). La première partie de cette thèse consiste à définir deux régions de validation utilisées dans la procédure finale de fit visant à évaluer le bruit de fond provenant des bosons W et des top quarks qui se désintègrent en leptons tau. A partir de ce fait, et comme on n'a observé aucun excès, on dérive des limites sur les masses des particules dans des modèles simplifiés ou dans des modèles SUSY avec peu de paramètres. Une limite d'exclusion à 95% de niveau de confiance sur la masse des gluinos a été déterminée à 1330 GeV pour le modèle simplifié avec un gluino et un neutralino sans masse. Dans le cadre de mSUGRA/CMSSM avec tan beta = 30, A_0 = -2m_0 et mu > 0, les squarks et gluinos sont exclus pour des masses inférieures à 1700 GeV. L'ajout d'un véto sur les évènements avec les leptons tau est aussi explorée et l'impact sur l'exclusion a été évaluée.Le deuxième partie de cette thèse a été effectuée dans le cadre du modèle phénoménologique minimal supersymmétrique (pMSSM) où l'interprétation des résultats de l'analyse 0-lepton mentionnée ci-dessus, ainsi que les résultats d'autres analyses d'ATLAS, a été menée à bien. Le choix des paramètres et de leur domaine d'exploration a été faite sur la base de résultats non-SUSY comme les désintégrations rares des mésons B, la masse de boson de Higgs, les limites de recherche directe de la matière noire et la limite sur la densité de matière noire de l'Univers. La contribution de cette thèse commence par la validation de la sélection des évènements au niveau truth et reconstruit. Comme cette analyse est la plus contraignante dans le pMSSM, cette validation est faite avec une attention particulière. Les contraintes obtenues avec toutes les analyses sur les masses des différentes particules SUSY sont décrites, en particulier pour les squarks, gluinos et neutralinos. Les résultats sont discutés pour les types des LSP différents: bino, wino et Higgsino. Enfin, les résultats de l'analyse 0-lepton seule sont décrits et expliqués, à la fois pour les masses des sparticules et pour les valeurs des paramètres du pMSSM, puisque l'analyse 0-lepton est la seule qui permet de mettre des limites en se basant sur une procédure statistique bien définie.


  • Résumé

    This thesis has been performed in the context of the search for supersymmetry (SUSY) with the 20.3 fb^{-1} of LHC proton-proton collision data collected with the ATLAS detector at $sqrt{s}$ = 8 TeV. If SUSY is present in nature, squarks (partners of quarks) and gluinos (partners of gluons) are expected to be produced copiously at this energy, leading to events which main signature is no electron nor muon, a large number of jets and missing transverse energy (from the production of the lightest supersymmetric particle (LSP) leaving the detector unseen) denoted the 0-lepton analysis. The first part of the work presented in this thesis concentrates on the definition of Validation Regions used in the final fitting procedure to better assess the background coming from W-boson and top quark decays to tau leptons. From this fit, and since no excess has been observed, upper limits on various supersymmetric particles production have been derived within simplified models or SUSY models with low number of parameters. The exclusion limits at the 95% confidence level on the mass of the gluino has been set to 1330 GeV for a simplified model incorporating only a gluino and the (massless) lightest neutralino. In the mSUGRA/CMSSM models with $tanbeta=30$, $A_0=-2m_0$ and $mu>0$, squarks and gluinos of equal mass have been excluded for masses below 1700 GeV. A possible addition of a veto on the events containing tau leptons was also explored by assessing its impact on the exclusion reach of the analysis.The second part of this thesis has been done under the 19 parameters phenomenological Minimal Supersymmetric Standard Model (pMSSM) interpretation which not only uses the results of the above mentioned 0-lepton analysis but also other ATLAS searches results. The choice of the parameters and their range of exploration has been done on the basis of non-SUSY experimental results such as the rare B-decays, the mass of the SM Higgs boson, the limits from direct DM searches and the upper limit on the cold dark matter energy density of the Universe. The contribution of this thesis starts with the validation of the event selection at the truth and reconstructed levels. Knowing that this is the most constraining ATLAS analysis in the pMSSM parameter space, those checks have been performed with particular care. The constraints obtained with all the analyses on the various sparticle masses are described afterwards, concentrating on squarks, gluinos and neutralinos. The results are discussed for the different natures of the LSP: bino, wino and higgsino. Finally the 0-lepton-only results are described and further explained, first on sparticle mass planes and later on the pMSSM parameters, since only the 0-lepton analysis leads to a well defined statistical procedure that allows to derive properly all those results.


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