Search for Seesaw type III Signals in 2011 LHC CMS Data

In 2010 the Compact Muon Solenoid (CMS) detector at the CERN Large Hadron Collider (LHC) started collecting proton collision data at a center of mass energy ps = 7TeV with a target integrated luminosity for the first run of 1 fb−1. Collisions continued during 2011 and on 30th October 2011 the LHC dumped the last proton beams for the year. During 2011 the LHC delivered 5.74 fb−1 of proton collisions and CMS experiment has recorded 5.21 fb−1. The analysis expounded in this thesis performs a search for new physics signals in CMS detector 2011 data in multileptons channels. The analysis uses the data sample corresponding to the overall certified integrated luminosity of 2011, i.e. 4.6 fb−1. Among several models of Physics Beyond the Standard Model the Seesaw type-III was probed. Seesaw models predict the addition of massive particles in Standard Model; type-III seesaw model specify these particles to be fermion triplets. According to this model, the p-p collisons produce Seesaw triplet which decay in standard model bosons and leptons. Final states contain SM leptons, jets and missing energy. The 3-leptons final states provide the cleanest signature. The signal from this signature, with muons and electrons, was searched, for five values of Seesaw triplet mass. Detailed Monte Carlo simulation of the physics interactions and detector performance is been compared with 2011 data. A simple and robust event selection, was developed to discriminate Seesaw signature from instrumental and Standard Model backgrounds, as well as methods to control backgrounds estimates from data. Event yields for tri-leptons channels were computed for predicted Seesaw signal and backgrounds, and were compared to observed data. No significant excess of events with respect to the standard model expectations was found. The 95% confidence level limits on Seesaw cross section was computed. Results show that Seesaw mass is excluded below 180 GeV (185 GeV at NLO) for equal lepton mixings. If the Seesaw triplet couples with one leptonic flavor only, the limit on the mass is 200 GeV. The limit on Seesaw cross section is 20 fb for the equal mixings scenario.

Nel 2010 il rivelatore CMS (Compact Muon Solenoid) in funzione nel Large Hadron Collider ai laboratori di fisica di fisica del CERN, Ginevra, ha cominciato ad elaborare dati provenienti dalle collisioni protone protone (collisioni ad un energia di ps = 7 TeV nel centro di massa). LHC ha funzionato per tutto il 2011, fino al 30 Ottobre 2011. Durante l’anno 2011 sono stati raccolti 5.74 fb−1 di collisoni, e l’esperimento CMS ha registrato una luminosità di 5.21 fb−1. Lo studio descritto nella tesi consiste nella ricerca di segnali di nuova fisica nei dati di CMS del 2011, in canali multi-leptonici. I dati utilizzati sono quelli certificati dall’esperimento e corrispondono ad una luminosità di 4.6 fb−1. Tra le moltissime teorie di fisica delle particelle oltre il Modello Standard, il modello Seesaw-type-III è stato scelto per essere investigato. Il modello Seesaw prevede l’aggiunta di particelle massive ai campi usuali del Modello Standard; il modello type-III specifica queste particelle essere dei tripletti fermionici. Secondo questo modello, le collisioni protone protone ad LHC producono coppie di tali particelle massive, che a loro volta decadono in bosoni e leptoni del Modello Standard. Gli stati finali sono caratterizzati dalla presenza di leptoni, Emiss T e jets. In particolare, lo stato finale con tre leptoni ha la sezione d’urto più promettente. In questa tesi si è indagata la presenza di segnale dal modello Seesaw-type-III negli stati finali con tre leptoni (muoni ed elettroni), Emiss T e jets, per cinque valori ipotetici della massa del tripletto Seeesw. Dettagliate simulazioni di MonteCarlo delle interazioni delle particelle e della risposta del rivelatore sono state prodotte e confrontate con i dati sperimentali. E' stata studiata una semplice e robusta selezione degli eventi, con lo scopo di eliminare i fondi, sia da processi fisici del Modello Standard che i fondi strumentali (che sono stati stimati anche dai dati stessi), e poter così mettere in evidenza il possibile segnale. Gli eventi simulati sopravvissuti a tutte le selezioni nei canali tri-leptonici, sono stati confrontati con i dati. Nessun eccesso di eventi, superiore alla previsione della fisica del Modello Standard, è stato evidenziato. Sono stati quindi calcolati i limiti della sezione d’urto del processo di produzione e decadimento del tripletto Seesaw, al 95% del livello di confidenza. I risultati mostrano che il limite sulla sezione d’urto è 20 fb. Inoltre, è da escludere una massa del tripletto fermionico Seesaw inferiore a 180 GeV (185 GeV al NLO NextToLeadingOrder), se l’accoppiamento del tripletto avviene con muoni, elettroni e tau. Se invece l’accoppiamento è con uno solo dei tre leptoni, allora il limite della massa si sposta a 200 GeV.