Signatures of SUSY dark matter at the LHC and in the spectra of cosmic rays

Olzem, Jan; Schael, Stefan

doi:HT015062799

Signatures of SUSY dark matter at the LHC and in the spectra of cosmic rays = Signaturen von supersymmetrischer Dunkler Materie am LHC und in den Spektren der Kosmischen Strahlung

Olzem, Jan (Author)

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jan Olzem

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

Umfang107 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schael, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-02-27

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-18423
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61729/files/Olzem_Jan.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Dunkle Materie (frei) ; Kosmische Strahlung (frei) ; LHC (frei) ; Supersymmetrie (frei) ; CMS (frei) ; Siliziumstreifendetektor (frei) ; Positronen (frei) ; Positronenanteil (frei) ; silicon strip detector (frei) ; Positrons (frei) ; positron fraction (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 11.30.Pb * 95.35.+d * 29.40.Gx * 96.50.sb

Kurzfassung
Es ist eine der weitreichendsten Entdeckungen der letzten Jahrzehnte, daß die sichtbare Materie im Universum lediglich einen sehr kleinen Teil zu dessen Gesamtenergiedichte beiträgt. Zu mehr als 75% ist es von einer vollkommen unbekannten Form von Energie dominiert, für die der Name Dunkle Energie geprägt worden ist, während etwa 20% als gravitierende nichtrelativistische Dunkle Materie existieren muß. Unter den zahlreichen Kandidaten für die Konstituenten der Dunklen Materie ist das supersymmetrische (SUSY) Neutralino das vielversprechendste. Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Suche nach supersymmetrischen Teilchen am zukünftigen Large Hadron Collider (LHC) und dem Bau eines der vier großen LHC-Experimente, dem Compact Muon Solenoid (CMS), und konzentriert sich auf den Nachweis von Signalen aus der Annihilation supersymmetrischer Dunkler Materie in den Spektren der Kosmischen Strahlung. Die einwandfreie Funktion seiner Komponenten ist eine wesentliche Voraussetzung für den Erfolg eines technisch so anspruchsvollen Großexperimentes wie CMS und macht eine strenge Qualitätskontrolle während ihrer Fertigung erforderlich. Die Endmontage von 1061 Siliziumstreifendetektormodulen für den Spurdetektor von CMS wird im 1. Physikalischen Institut B der RWTH Aachen durchgeführt. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines vollständig automatisierten Testverfahrens zur Qualitätskontrolle dieser Module. Es basiert auf mittels eines Infrarotlasers in den Siliziumsensoren angeregten Signalen, deren Auswertung eine zuverlässige Erkennung von Defekten erlaubt. Um die Anwendbarkeit des Testverfahrens zu bestätigen, wurde ein Referenzmodul mit künstlich präparierten Defekten untersucht. Wie gezeigt wird, können alle Defekte einwandfrei detektiert werden, und es ergibt sich aus der Messung ein Hinweis auf den jeweiligen Defekttyp. Darüberhinaus wurde das Testverfahren zur Untersuchung von neun Modulen einer Prototypserie verwendet. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen aus der Untersuchung des Referenzmoduls konnten Moduldefekte zuverlässig identifiziert werden. Die Ergebnisse werden von denjenigen anderer Testverfahren, die auf abweichenden Nachweistechniken beruhen, bestätigt. Die Energiespektren von Antiteilchen in der Kosmischen Strahlung, wie etwa von Positronen, können wichtige Hinweise auf die Natur der Dunklen Materie liefern. Die Identifizierung von Positronen in der Kosmischen Strahlung stellt experimentell eine erhebliche Herausforderung dar aufgrund des großen von Protonen verursachten Untergrundes. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einem neuen Ansatz zur Identifikation von Positronen auf der Grundlage des Nachweises konvertierter Bremsstrahlungsphotonen in einem Siliziumstreifendetektor. Die Wahrscheinlichkeit der Emission von Bremsstrahlung von Protonen ist gegenüber Positronen um einen Faktor von mehr als 3*10^6 unterdrückt und erlaubt somit eine Unterscheidung beider Teilchensorten. Dieses Verfahren wurde anhand der Daten des weltraumgestützten AMS-01-Experimentes realisiert. Im Gegensatz zu früheren auf Einzelspurmessungen basierenden Analysen erfordert es die Rekonstruktion von Mehrspurereignissen. Um eine bestmögliche Selektionseffizienz für Positronen zu errreichen, wurden speziell für die Signatur konvertierter Bremsstrahlungsphotonen optimierte Spurfindungsalgorithmen entwickelt. Schnitte auf die invariante Masse der gemessenen Teilchen eliminieren weitgehend den Untergrund zu den Positronkandidaten. Der verbleibende irreduzible Untergrund wurde mit Hilfe einer großen Anzahl simulierter Ereignisse unter Berücksichtigung des Einflusses des Erdmagnetfeldes bestimmt. Die Zahl der Positronen wurde um diesen Untergrund, der 26% der Signalereignisse entspricht, korrigiert. Zur Unterdrückung atmosphärischer Sekundärteilchen unter den Positron- und Elektronkandidaten wurde eine Methode entwickelt, die auf der Rückverfolgung von Teilchenspuren im Erdmagnetfeld basiert. Die Ergebnisse dieser Positronmessung zeigen, daß der Bremsstrahlungsansatz den Meßbereich von AMS-01 bis hin zu Positronimpulsen von 50 GeV/c erweitert, was weit jenseits der ursprünglich angestrebten Reichweite des Experimentes von 3,5 GeV/c liegt. Die Genauigkeit der Positronmessung ist hierbei statistisch limitiert durch die Anzahl der gemessenen Positronen. Weiterhin wurde der Positronenanteil e+ / (e+ + e-) in der Kosmischen Strahlung für Teilchenimpulse im Bereich von 1 bis 50 GeV/c berechnet. Für Impulse bis hin zu 8 GeV/c ist dieser in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen von Modellrechnungen für den Untergrund von ausschließlich sekundär produzierten Positronen. Bei höheren Impulsen hingegen zeichnet sich ein Überschuß von Positronen ab. Somit liefern auch die Daten des AMS-01-Experimentes Hinweise auf einen Positronenüberschuß, wie er bei früheren Experimenten bereits beobachtet wurde. Zusätzlich zum Positronenanteil wurden auch die absoluten Flüsse von Elektronen und Positronen aus der Anzahl der Kandidaten dieser Analyse errechnet. Hierzu wurde ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt, die Durchlässigkeit des Erdmagnetfeldes für Elektronen und Positronen als Funktion des Impulses und der Flugrichtung der Teilchen mit hoher Genauigkeit zu ermitteln. Die Ergebnisse der Flußberechnung zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit denjenigen früherer Messungen. Abschließend wurde der im Rahmen dieser Arbeit ermittelte Positronenanteil mit den Ergebnissen anderer Experimente statistisch kombiniert. Aufgrund der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit steigt die Signifikanz des Positronenüberschusses gegenüber dem erwarteten Untergrund von 4,2 auf 5,3 Standardabweichungen. Somit kann nun eine statistische Fluktuation als Ursache für den Überschuß von Positronen gegenüber dem erwarteten Untergrund weitgehend ausgeschlossen werden.

Over the past decades it has become evident that luminous matter amounts only to a small fraction of the energy density in the universe. More than 75% is accounted for by what is called the dark energy, and about 20% must exist in the form of some kind of non-relativistic dark matter. Among the candidates for the constituents of dark matter, the supersymmetric (SUSY) neutralino is one of the most promising. This thesis discusses the search for supersymmetry at the future Large Hadron Collider (LHC) and the ongoing construction of one of the four large LHC experiments, the Compact Muon Solenoid (CMS), and focuses on the detection of signals from the annihilation of supersymmetric dark matter in the spectra of cosmic rays. CMS relies on the excellent performance of its components and thus requires strict quality control before their assembly. The final steps of assembly of 1061 silicon microstrip detector modules for the CMS tracker endcaps are performed at the 1. Physikalisches Institut B at the RWTH Aachen. A laser test facility for these modules was developed and is described in this thesis. In contrast to test procedures based only on the evaluation of pedestal and noise data, the test facility relies on the generation of signals in the silicon sensors by infrared laser illumination. Subsequent analysis of the signals allows reliable detection of module defects. The fully automatic test facility provides high throughput and easy operation for the series production of the modules. Its performance is validated by investigating a reference module with artificially prepared defects of three types: open wirebonds, short-circuited strips and pinholes. It is shown that all defects are clearly detected. In addition to defect detection, an indication for the type of defect is provided. In a further validation step, nine modules from a prototype series are investigated with the laser test facility. Confirming the earlier results on the reference module, defective strips are reliably identified. The results are in agreement with those from other test facilities using different techniques. Measurements of cosmic ray antiparticles, such as positrons, can impose strong constraints on the nature of new physics beyond the Standard Model. However, cosmic ray positron measurements are experimentally very challenging due to the vast proton background. This thesis describes a novel approach of positron identification with the space-borne AMS-01 experiment, namely through the detection of bremsstrahlung conversion in a silicon microstrip detector. In contrast to earlier single-track analyses, this approach involves the selection and reconstruction of multi-track events. Subsequent to an introduction to cosmic ray physics and a description of the AMS-01 experiment, the discussion of the signal process shows that bremsstrahlung from protons is suppressed by a factor of more than 3*10^6 with respect to positrons. The background to the positron sample can largely be suppressed using the topological and geometrical properties of the events. In order to obtain the highest positron selection efficiency possible, novel combinatorial track finding algorithms were developed, particularly optimized for the signature of converted bremsstrahlung. By applying restrictions on the invariant mass of particles the background to the positron sample is largely eliminated. The remaining background contamination is determined from large samples of Monte Carlo data taking into account the effects of the geomagnetic field. It amounts to 26% of the positron counts and is corrected for. In order to remove atmospheric secondaries from the positron and electron samples, a precise method involving trajectory backtracing in the magnetic field of the Earth was developed and is applied individually to all positron and electron candidates. The results of the positron measurement show that the bremsstrahlung approach extends the sensitivity range of AMS-01 to positron momenta up to 50 GeV/c, which is far beyond the original scope of the experiment. The precision of the positron measurement is statistically limited by the small number of particle counts. The positron fraction e+ / (e+ + e-) is calculated for particle momenta in the range from 1 to 50 GeV/c. For momenta up to 8 GeV/c it is found to be in good agreement with model predictions for background from purely secondary positron production, while at higher momenta there is indication for a positron overabundance. Therefore, the AMS-01 data lend further weight to the hints of a positron overabundance seen in the data from earlier experiments. In addition to the positron fraction, the absolute fluxes of positrons and electrons are calculated from the event samples of the present analysis. For this purpose, a method was developed which allows the determination of the geomagnetic transmission as a function of momentum and direction of incidence with high accuracy. The results of the flux calculation are found to be in very good agreement with earlier data, confirming the good performance of electron and positron selection with the bremsstrahlung approach. Finally, the positron fraction results from this analysis have been combined with results from earlier experiments. In the combined results, the significance of the positron overabundance with respect to the background expectation for purely secondary positron production increases to 5.3 standard deviations, which would be reduced to 4.2 standard deviations without the results of the present analysis. Therefore, a statistical fluctuation causing the positron overabundance in the data with respect to the background-only expectation can now be excluded.

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