Searches for supersymmetric particles in final states with multiple top and bottom quarks with the ATLAS detector

Abstract

En esta tesis se presentan dos búsquedas de Supersimetría en colisiones protón-protón en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) del CERN, centradas en modelos que dan lugar a la producción de múltiples quarks top o quarks bottom en el estado final. La primera búsqueda tiene como objetivo la producción de pares de gluinos, donde cada gluino de desintegra a través de un squark top (modelo Gtt) o un squark bottom (modelo Gbb) en una pareja de quarks top-antitop o bottom-antibottom, respectivamente, y un neutralino, que es la partícula supersimétrica más ligera (LSP, por sus siglas en inglés). Cada quak top a su vez se desintegra en un bosón W y un quark bottom. Consecuentemente, el estado final se caracteriza por una alta multiplicidad de bottom jets (b-jets), que son chorros de partículas resultantes de la hadronización de quarks bottom, así como un alto momento transverso faltante (Emiss T ) debido a que la LSP escapa sin ser detectada. La segunda búsqueda tiene como objetivo la producción de pares de higgsinos en el contexto de un modelo GGM, en el cual cada higgsino se desintegra en el bosón de Higgs del Model Estándar y un gravitino, que en este caso juega el papel de la LSP. Esta búsqueda se centra en sucesos donde ambos bosones de Higgs se desintegran en parejas de quarks bottom-antibottom, de nuevo dado lugar a estados finales con múltiples b-jets. Este es el primer análisis en ATLAS optimizado para esta signatura, la cual había sido considerada previamente en búsquedas llevadas a cabo por la colaboración CMS. Ambas búsquedas en esta tesis usan los datos recopilados por el experimento ATLAS en el LHC entre el 2015 y el 2016, a una energía del centro de masas de ps = 13 TeV, correspondiente a una luminosidad integrada de 36.1 fb−1. La búsqueda de gluinos, sin optimización adicional, ha sido extendida usando los datos recopilados en el 2017, resultando en una luminosidad integrada total de 79.8 fb−1. No habiendo encontrado un exceso significativo de sucesos sobre la predicción del Modelo Estándar en ninguna de las regiones de búsqueda, los resultados han sido usados para establecer límites superiores a la producción de partículas supersimétricas. La primera búsqueda excluye a un nivel de confianza del 95% masas del gluino de hasta 2.25 TeV para el modelo Gtt y de hasta 2.17 TeV para el modelo Gbb, en ambos casos para masas del neutralino menores que 800 GeV. La segunda búsqueda excluye masas del higgsino en el rango de 240–880 GeV, asumiendo que

This dissertation presents two searches for Supersymmetry in proton-proton collisions at CERN’s Large Hadron Collider (LHC), targeting signal models that lead to the production of multiple top quarks or bottom quarks in the final state. The first search targets gluino pair production, where each gluino decays through a top squark (Gtt model) or a bottom squark (Gbb model) to a top-antitop quark pair or a bottom-antibottom quark pair, respectively, and a neutralino, which is the Lightest Sypersymmetric Partner (LSP). Each top quark in turn decays to aW boson and an a bottom quark. Thus, the final state is characterized by a high multiplicity of bottom jets, which are collimated sprays of particles originating from the hadronization of bottom quarks, and missing transverse momentum (Emiss T ) from the LSP that escapes the detection. The second search targets a GGM model of higgsino pair production, where each higgsino decays to a Standard Model Higgs boson and a gravitino, which in this case plays the role of the LSP. This search focuses on the decay of the two Higgs bosons to bottom-antibottom quark pairs, yielding again final states with multiple b-jets. This is the first ATLAS analysis targeting this signature, which had been previously considered in searches performed by the CMS Collaboration. Both searches in the thesis use the data collected by the ATLAS experiment at the LHC between 2015 and 2016, at a center-of-mass energy ps = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 36.1 fb−1. The gluino search, without further reoptimization, is also extended using the data collected in 2017, for a total integrated luminosity of 79.8 fb−1. No significant excess of events above the Standard Model expectation is observed in any of the search regions, and the results are used to set upper limits on the production of supersymmetric particles. The first search excludes at 95% confidence level gluino masses up to 2.25 TeV for the Gtt model and up to 2.17 TeV for the Gbb model, in both cases for neutralino masses below 800 GeV. The second search excludes higgsino masses in the range 240–880 GeV, assuming that the higgsino decays exclusively to a Higgs boson and a gravitino.