Application of statistical methods with emphasis on Machine Learning for the analysis of experimental data from the ATLAS experiment at the LHC at CERN
Authors: Καρκανιάς Ιωάννης 
Published: June 2022

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται ως επί το πλείστον τη μελέτη των μποζονίων βαθμίδος W και Z με τη χρήση δεδομένων από τον ανιχνευτή ATLAS που συλλέχθηκαν κατά τη λειτουργία του επιταχυντή LHC στο διάστημα 2015-2018, το οποίο είναι γνωστό ως "Run 2". Τα δεδομένα αυτά αντιστοιχούν σε ολοκληρωμένη φωτεινότητα 139 fb-1. Η μελέτη αυτή γίνεται αφ'ενός στο γενικό πλαίσιο της διμποζονικής παραγωγής WZ, και αφ'ετέρου στο πλαίσιο των διμποζονικών αλληλεπιδράσεων VBS, που χαρακτηρίζεται από την ταυτόχρονη παρουσία δύο πιδάκων αδρονίων jets στην τελική κατάσταση παράλληλα με τα δύο μποζόνια. Αρχικά πραγματοποιείται μια εισαγωγή στο πείραμα ATLAS και στην πειραματική μεθοδολογία και τεχνικές που χρησιμοποιούνται στο πλαίσιο της συλλογής δεδομένων και των αναλύσεων του πειράματος. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται το σύνολο της εργασίας που αφορά την απόκτηση τίτλου συγγραφέως για το πείραμα από τον γράφοντα. Η εργασία αυτή αφορά εν πρώτοις τη συνεισφορά στον υπολογισμό παραγόντων κλίμακας για τη χρήση σε προσομοιωμένα μιόνια στο πρόσθιο μέρος του ανιχνευτή που χαρακτηρίζεται από 2.5<|η|<2.7 , απαραίτητο για τη διόρθωση των διαθέσιμων δεδομένων προσομοίωσης προς χρήση σε αναλύσεις. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκαν καθήκοντα QA/QC στις διαδικασίες κατασκευής ανιχνευτών MicroMegas, ως μέλος του εργαστηρίου του τμήματος Φυσικής Α.Π.Θ., η οποία έχει ολοκληρωθεί και οι ανιχνευτές έχουν ήδη τοποθετηθεί στο πείραμα ώς μέρος του μιονικού φασματόμετρου και συγκεκριμένα του New Small Wheel (NSW). Έπειτα, αναλύεται ο υπολογισμός του υποβάθρου της διμποζονικής παραγωγής WZ που δύναται να ελαττωθεί, συνιστώμενο από τις αλληλεπιδράσεις ttbar, Z+jets και Zγ. Το υπόβαθρο αυτό εισέρχεται στο σήμα από την λανθασμένη επιλογή δεδομένων ως συνιστώμενων από αληθή λεπτόνια, ενώ στην πραγματικότητα ένα ή περισσότερα από αυτά δεν ήταν στην πραγματικότητα λεπτόνιο. Αντί για τη χρήση προσομοίωσης απευθείας, πραγματοποιείται υπολογισμός βασισμένος στα δεδομένα με τη χρήση μεθόδου που περιλαμβάνει την αναστροφή ενός γενικευμένου πίνακα που περιλαμβάνει πιθανότητες επιλογής ψευδούς λεπτονίου ως λεπτονίου σήματος (Fake Factors), που υπολογίζονται σε εξειδικευμένες περιοχές ελέγχου (Control Regions) με τη χρήση προσομοίωσης. Στη συνέχεια, μελετώνται οι διεργασίες WZjj VBS με σκοπό τη μέτρηση του παράγοντα κλίμακας για την υπάρχουσα προσομοίωση ηλεκτρασθενούς σήματος WZ-EW με τη στατιστική μέθοδο της μέγιστοποίησης της πιθανοφάνειας (Profile Likelihood) με τις υπάρχουσες προσομοιώσεις δεδομένων του Run 2. Τέλος, πραγματοποιείται εξαγωγή αποτελεσμάτων παραμέτρων από μοντέλο Δραστικής Θεωρίας Πεδίου με σκοπό την αναζήτησης Νέας Φυσικής. Η αναζήτηση αφορά παρεκκλίσεις στις αλληλεπιδράσεις που αφορούν την ιδιοσύζευξη τεσσάρων μποζονίων (anomalous Quartic Gauge Couplings) και το μοντέλο αφορά τελεστές διάστασης 8. Σχετικά μ'αυτό, παρουσιάζεται το εύρος πειραματικών ορίων τιμών για τις επιτρεπόμενες παραμέτρους που αφορούν τους 8 τελεστές του μοντέλου και είναι δυνατόν να επηρεάσουν το υπό μελέτη κανάλι παραγωγής. Η πειραματική καταγραφή της ανακατασκευής των μιονίων της οποίας μέρος ήταν η μελέτη των πρόσθιων μιονίων παρουσιάστηκε στο συνέδριο "HEP 2019 - Conference on Recent Developments in High Energy Physics and Cosmology" δημοσιεύτηκε στο European Physics Journal C (EPJC) από το πείραμα ATLAS, ενώ η κατασκευή των ανιχνευτών MicroMegas έχει δημοσιευτεί στο International Journal of Science Invention (IJESI). Η μελέτη σχετικά με το υπόβαθρο που δύναται να ελαττωθεί για τη διμποζονική παραγωγή WZ παρουσιάστηκε στο "38th Conference on Recent Developments in High Energy Physics and Cosmology, Thessaloniki, Greece".