Searches for charged lepton flavour violation involving final states with an electron / muon pair in pp collisions at the CMS detector

Güth, Andreas; Hebbeker, Thomas; Krämer, Michael

doi:36632

Searches for charged lepton flavour violation involving final states with an electron / muon pair in pp collisions at the CMS detector = Suchen nach Leptonenfamilienzahlverletzung in Endzuständen mit einem Elektron-Myon-Paar in Proton-Proton-Kollisionen mit dem CMS Detektor

Güth, Andreas^RWTH*

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Physiker Andreas Güth

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (255 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Hebbeker, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Krämer, Michael (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-10-02

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-09510
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/707885/files/707885.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/707885/files/707885.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
LHC ; CMS ; RPV ; Supersymmetry ; extra dimension ; QBH ; microscopic black hole ; cLFV ; lepton flavour violation ; 2HDM ; Two-Higgs-Doublet model (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Entdeckung der Leptonflavourzahlverletzung im Neutrinosektor motiviert verstärkte Anstrengungen bei der Suche nach entsprechenden Wechselwirkungen zwischen geladenen Leptonen (cLFV Wechselwirkungen), deren experimenteller Nachweis einen klaren Beweis für Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik (SM) liefern würde. In dieser Arbeit werden mehrere direkte Suchen nach cLFV Wechselwirkungen in Proton-Proton (pp) Kollisionen am Large Hadron Collider (LHC) präsentiert. Der LHC liefert unterschiedliche partonische Anfangszustände bei einer zuvor unerreichten Schwerpunktsenergie und eignet sich daher besonders für die Suche nach noch unbekannten, schweren Teilchen an der TeV-Skala. Die präsentierten Suchen basieren auf Datensätzen, welche in pp Kollisionen mit einer Schwerpunktsenergie von ${\sqrt{s}=8~\mbox{TeV}}$ im Jahr 2012 mit dem Compact Muon Solenoid (CMS) Detektor am LHC aufgezeichnet worden sind und einer integrierten Luminosität von ${19.7~\mbox{fb}^{-1}}$ entsprechen. In Kollisionsereignissen mit einem Elektron-Myon (${e\mu}$) Paar wird in zwei unterschiedlichen Analysen nach Hinweisen auf cLFV Wechselwirkungen gesucht: In der ersten Analyse wird im aufgezeichneten Spektrum der invarianten Masse des ${e\mu}$ Leptonpaares nach Peaks und einem Überschuss an Ereignissen mit Massen im TeV-Bereich gesucht. Entsprechende Signaturen würden als Hinweise auf neue Physik mit cLFV zwischen der ersten und zweiten Leptonenfamilie dienen. In der zweiten Analyse werden die Daten nach Anzeichen für die resonante Produktion eines ${\mu\tau}$ Paares mit leptonischem Zerfall des Tauons in ein Elektron und Neutrinos untersucht. Diese Suche testet zwar andere Modelle neuer Physik als die Analyse des ${e\mu}$ Massenspektrums, lässt sich aber ohne großen Mehraufwand als Erweiterung der ${e\mu}$ Suche formulieren. Die Untergrundbeiträge diverser Standardmodellprozesse werden anhand von Simulationen und datengestützten Methoden ermittelt. Besonderes Augenmerk wird auf die Auswertung der systematischen Unsicherheiten auf die Untergrundabschätzung gelegt. Im Rahmen der für die Abgrenzung von Signal- und Untergrundbeiträgen wichtigen Studie der Detektorauflösung der Masse des ${e\mu}$ Paares wird eine Messung der Transversalimpulsauflösung von Myonen mit Hilfe atmosphärischer Myonen vorgestellt. Die Ereignisselektion und Formulierung der statistischen Analyse sind möglichst modellunabhängig gestaltet, um eine Umdeutung der Ergebnisse mit Hinblick auf hier nicht berücksichtigte Modelle neuer Physik zu erleichtern. In keiner der zwei Analysen wird eine signifikante Abweichung der Daten von der Untergrunderwartung beobachtet und Ausschlussgrenzen auf Parameter in diversen Modellen neuer Physik mit cLFV Wechselwirkungen werden bestimmt. Diese reichen von R-Parität verletzender (RPV) Supersymmetrie (SUSY) über Modelle für die Produktion von mikroskopischen schwarzen Löchern in Theorien mit Extradimensionen bis hin zu Modellen mit schweren Partnern des SM Higgs-Bosons. Die Produktion eines Tau-Sneutrinos als leichtestes supersymmetrisches Teilchen (LSP) in RPV SUSY mit einer Masse unterhalb von ${1.28~\mbox{TeV}}$ wird für die Kopplungen ${\lambda'_{311}=\lambda_{312}=\lambda_{321}=0.01}$ bei einem Konfidenzintervall von $95\%$ ausgeschlossen. Die Ausschlussgrenzen für die Mindestmasse mikroskopischer schwarzer Löcher fallen in den multi-TeV Bereich. In einem durch das ADD (Arkani-Hamed, Dimopoulos, Dvali) Modell großer Extradimensionen motivierten Szenario mit ${n=6}$ Extradimensionen werden Massen der schwarzen Löcher unterhalb von $3.63~\mbox{TeV}$ ausgeschlossen. Diese Resultate werden im Kontext der Ergebnisse diverser indirekter Suchen nach cLFV Wechselwirkungen eingeordnet. In der ${\mu\tau}$ Suche werden Tau-Sneutrino LSPs mit Massen unterhalb von ${1.42~\mbox{TeV}}$ für die Kopplungsparameter ${\lambda'_{311}=\lambda_{323}=0.05}$ ausgeschlossen. Die entsprechenden Ausschlussgrenzen auf den Wirkungsquerschnitt für die resonante Produktion einer ${\mu\tau}$ Resonanz kurzer Lebensdauer werden in Form eines Modells für die Produktion eines schweren Higgs-Bosons umgedeutet. Die in der ${\mu\tau}$ Suche erzielten Ausschlussgrenzen sind die restriktivsten aller Suchen nach entsprechenden cLFV Effekten.

The observation of lepton flavour violation in the neutrino sector heightens the interest in searches for charged lepton flavour violating (cLFV) interactions whose observation would constitute proof of physics beyond the Standard Model (SM). In this thesis, direct searches for heavy particles that may mediate such cLFV interactions are presented. As a proton-proton (pp) collider that provides a range of different partonic initial states with unprecedented centre-of-mass energy, the Large Hadron Collider (LHC) is a powerful tool to explore the landscape of new physics models. The presented searches utilize datasets that have been recorded in pp collisions at a centre-of-mass energy of ${\sqrt{s}=8~\mbox{TeV}}$ with the CMS detector in 2012 at the LHC and correspond to an integrated luminosity of ${19.7~\mbox{fb}^{-1}}$. Event samples including an electron / muon (${e\mu}$) pair are investigated in two different searches for cLFV interactions: In the first analysis, the invariant mass spectrum of selected events with an ${e\mu}$ pair is tested for peaks and extended high-mass tails that may point to new physics involving cLFV between the first and second generation of leptons. In the second analysis, the data are investigated for the resonant production of a ${\mu\tau}$ pair with subsequent decay of the $\tau$ lepton to an electron and neutrinos. This search probes a different type of cLFV interaction, but is formulated as a straightforward extension of the ${e\mu}$ search. The background expectation from SM processes is evaluated using both simulated event samples and data-driven background estimates. A focus is put on the study of the systematic uncertainties affecting the background contributions. A measurement of the muon transverse momentum resolution is performed in the context of the study of the dilepton mass resolution of ${e\mu}$ pairs, that is crucial for the discrimination between signal and background. From the choice of selection cuts to the statistical interpretation of the measurement, an effort is made to formulate the searches in a model-unspecific fashion that is suitable for reinterpretation in terms of various models of physics beyond the SM. No significant excess above the SM expectation is observed in either of the two searches and exclusion limits are set on various models of new physics with cLFV. These range from R-parity violating (RPV) Supersymmetry (SUSY) to quantum black hole (QBH) production in theories with extra dimensions and cLFV decays of heavy scalar bosons in models with extended Higgs sectors. In the ${e\mu}$ search, an RPV SUSY model in which the $\tau$ sneutrino is the lightest supersymmetric particle (LSP) is excluded for sneutrino masses below ${1.28~\mbox{TeV}}$ for Yukawa couplings ${\lambda'_{311}=\lambda_{312}=\lambda_{321}=0.01}$ at 95% CL. The limits on the threshold mass for the production of QBHs fall in the multi-TeV region for all considered models; in a scenario inspired by the ADD (Arkani-Hamed, Dimopoulos, Dvali) model of large extra dimensions with ${n=6}$ extra dimensions, threshold masses below $3.63~\mbox{TeV}$ are excluded. These results are compared to those obtained from various indirect searches for cLFV phenomena. In the ${\mu\tau}$ search, a tau sneutrino LSP is excluded for masses below ${1.42~\mbox{TeV}}$ for Yukawa couplings ${\lambda'_{311}=\lambda_{323}=0.05}$. The corresponding cross section limits for the production of a narrow ${\mu\tau}$ resonance are recast in terms of a model with a heavy Higgs boson with cLFV decays that is produced via a top-quark loop. The limits obtained for the resonant production of a ${\mu\tau}$ pair are the most stringent to date.

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