Search for heavy resonances decaying into a $Z$ boson and a vector boson in the $\nu \bar{\nu}$ $q\bar{q}$ final state at CMS

This thesis presents a search for potential signals of new heavy resonances decaying into a pair of vector bosons, with masses between 1 TeV and 4 TeV, predicted by beyond standard model theories. The signals probed are spin-1 W', predicted by the Heavy Vector Triplet model, and spin-2 bulk gravitons, predicted by warped extra-dimension models. The scrutinized data are produced by LHC proton-proton collisions at a center-of-mass energy $\sqrt{s}=13$ TeV during the 2016 operations, and collected by the CMS experiment, corresponding to an integrated luminosity of 35.9 fbinv. One of the boson should be a Z, and it is identified through its invisible decay into neutrinos, while the other electroweak boson, consisting either into a W or into a Z boson, is required to decay hadronically into a pair of quarks. The decay products of heavy resonances are produced with large Lorentz boosts; as a consequence, the decay products of the bosons (quarks and neutrinos) are expected to be highly energetic and collimated. The couple of neutrinos, escaping undetected, is reconstructed as missing momentum in the transverse plane of the CMS detector. The couple of quarks is reconstructed as one large-cone jet, with high transverse momentum, recoiling against the couple of neutrinos. Grooming algorithms are adopted in order to improve the jet mass resolution, by removing soft radiation components and spectator events from the particles clustered as the large-cone jet. The groomed jet mass is used to tag the hadronically decaying vector boson, to define the signal region of the search (close to the nominal mass of the W and Z bosons, between 65-105 GeV) and a signal-depleted control region, that is used for the background estimation. An hybrid data-simulation approach predicts the normalization and the shape of the main background, represented by a vector boson produced in association with jets, by taking advantage of the distribution of data in the signal-depleted control regions. Secondary backgrounds are predicted from simulations. Jet substructure techniques are exploited, in order to classify events into two exclusive purity categories, by distinguishing the couple of quarks inside the large-cone jet. This approach improves the background rejection and the discovery reach. The search is performed by scanning the distribution of the reconstructed mass of the resonance, looking for a local excess in data with regards to the prediction. Depending on the mass, upper limits on the cross-section of heavy spin-1 and spin-2 narrow resonances, multiplied by the branching fraction of the resonance decaying into Z and a W boson for a spin-1 signal, and into a pair of Z bosons for spin-2, are set in the range $0.9$ -- $63$ fb and in the range $0.5$ -- $40$ fb respectively. A W' hypothesis is excluded up to 3.11 TeV, in the Heavy Vector Triplet benchmark A scenario, and up to 3.41 TeV, considering the benchmark B scenario. A bulk graviton hypothesis, given the curvature parameter of the extra-dimension $\tilde{k}=1.0$, is excluded up to 1.14 TeV.

Questa tesi presenta una ricerca di potenziali segnali di nuove risonanze pesanti, che decadono in una coppia di bosoni vettori, con masse comprese tra 1 TeV e 4 TeV, predette da teorie oltre il modello standard. I segnali indagati sono W' di spin 1, predette dal modello Heavy Vector Triplet, e gravitoni di spin 2, predetti da modelli che prevedono extra dimensioni ripiegate. I dati esaminati sono prodotti dalle collisioni protone-protone di LHC ad un'energia del centro di massa di $\sqrt{s}=13$ TeV durante le operazioni del 2016, e raccolti dall'esperimento CMS, per una luminosità integrata di 35.9 fbinv. Uno dei bosoni dev'essere una Z, che viene identificata dal suo decadimento invisibile in neutrini, mentre l'altro bosone elettrodebole, sia una W che una Z, deve decadere nel canale adronico in una coppia di quark. I prodotti di decadimento di risonanze pesanti sono generati con significativi boost di Lorentz; di conseguenza, ci si aspetta che i prodotti di decadimento dei bosoni (i quark e i neutrini) abbiano elevate energie e siano collimati. La coppia di neutrini, che sfugge alla rivelazione, viene ricostruita come momento mancante nel piano trasverso del rivelatore CMS. La coppia di quark viene ricostruita come un jet a largo cono, con elevato momento trasverso, che rincula contro la coppia di neutrini. Algoritmi di grooming sono impiegati per migliorare la risoluzione della massa del jet, rimuovendo la radiazione soffice e gli eventi spettatori dalle particelle clusterizzate come jet a largo cono. La massa ripulita del jet viene utilizzata per identificare il bosone vettore che decade in adroni, per definire la regione di segnale della ricerca (vicina alla massa nominale dei bosoni W e Z, nell'intervallo 65-105 GeV) e una regione di controllo svuotata dal segnale, che viene utilizzata per la stima dei fondi. Un approccio ibdrido dati-simulazione predice la normalizzazione e la forma del fondo principale, rappresentato da un bosone vettore prodotto in associazione con jet, sfruttando la distribuzione dei dati nelle regioni di controllo svuotate dal segnale. I fondi secondari sono predetti completamente con le simulazioni. Tecniche di sottostruttura del jet sono adoperate per classificare gli eventi in due categorie esclusive di purezza, distinguendo le coppie di quark dentro al jet a largo cono. Questo approccio migliora la soppressione del fondo e la potenzialità di scoperta. La ricerca viene fatta scansionando la distribuzione della massa ricostruita della risonanza, cercando un eccesso locale nei dati rispetto alle predizioni. In funzione della massa, limiti superiori sulla sezione d'urto per risonanze pesanti e strette di spin 1 e spin 2, moltiplicate per il rapporto di diramazione della risonanza che decade in Z e W per il segnale di spin 1, e in una coppia di bosoni Z per lo spin 2, sono fissati nell'intervallo $0.9$ -- $63$ fb e nell'intervallo $0.5$ -- $40$ fb rispettivamente. Un'ipotesi di W' e' esclusa fino ad una massa di 3.11 TeV, nello scenario A di riferimento dell'Heavy Vector Triplet, e fino a 3.41 TeV, nello scenario B di riferimento. Un'ipotesi di gravitone, dato il parametro di curvatura della dimensione addizionale $\tilde{k}=1.0$, è esclusa fino ad una massa di 1.14 TeV.