Background estimation, search for heavy resonances and off-shell Higgs boson signal strength measurement in the 4 lepton final state with the ATLAS detector
Authors: Μπέλλος Παναγιώτης 
Published: September 2021

Το 2012 η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs από τα δύο μεγάλα πειράματα στο CERN, ATLAS και CMS, επιβεβαίωσε το Καθιερωμένο Πρότυπο (ΚΠ), την θεωρία η οποία περγράφει τα στοιχειώδη σωμάτια και τις αλληλεπιδράσεις τους. Καθώς με το μποζόνιο Higgs ολοκληρώθηκε η αναζήτηση των σωματιδίων τα οποία προβλέπονται από το ΚΠ, η έρευνα εστιάζεται πλέον στην μελέτη των ιδιοτήτων του, καθώς και στην αναζήτηση σωματιδίων τα οποία προβλέπονται από θεωρίες πέραν του ΚΠ. Κατά την 2η περίοδο λειτουργίας του LHC, τα έτη 2015-2018, σε ενέργεια κέντρου μάζας 13 TeV, το πείραμα ATLAS συvέλλεξε δεδομένα τα οποία αντιστοιχούν σε ολοκληρωμένη φωτεινότητα περίπου 140 /fb συμβάλλοντας σε αυτές τις μέλετες. Η ικανότητα του πειράματος να συλλέγει δεδομένα θα βελτιωθεί μέσω μιας σειράς αναβαθμίσεων. Στην 2η φάση αναβάθμισης θα αντικατασταθεί ο εσωτερικός ανιχνευτής τροχιών από τον new Inner Tracker (ITk). Ο ΙΤk θα καλλύπτει περιοχή ψευδοωκύτητας μέχρι 4, δίνοντας για πρώτη φορά την δυνατότητα ανακατασκευής τροχιών για ψευδοωκύτητα μεγαλύτερη από 2.5. Σε αυτή την περιοχή (2.5-4.0) η πληροφορία για τις τροχιές των σωματιδίων αναμένεται να συμβάλλει καθοριστικά στην δυνατότητα του ηλεκτρομαγνητικού καλοριμέτρου να αναγνωρίζει ηλεκτρόνια. Στην συγκεκριμένη μελέτη, η οποία εξετάζει αυτή την δυνατότητα, αρχικά μελετάται η γωνιακή απόσταση των clusters που δημιουργούνται στο καλορίμετρο και των τροχιών στον ΙTk. Έπειτα εκπαιδεύται ένα Νευρωνικό Δίκτυο (ΝΔ) με τις μεταβλητές που περιγράφουν το σχήμα των clusters. Συνδυάζοντας την διακρίνουσα του ΝΔ με κριτήρια γωνιακής απόστασης cluster-τροχίας ορίζονται τα 3 working points των ηλεκτρονίων με απόδοση 90%, 80% και 70%. Τέλος εξετάζεται και η προοπτική συμβολής στην αναγνώριση κάποιων επιπλέον μεταβλητών. Στην τελική κατάσταση 4 λεπτονίων το μειώσιμο υπόβαθρο απορρίπτεται σε μέγαλο βαθμό μέσω των κριτηρίων επιλογής γεγονότων. Η εκτίμησή του όμως γίνεται από τα πραγματικά δεδομένα, για να αποφευχθούν οι όποιες αβεβαιότητες. Για την εκτίμηση στην llμμ τελική κατάσταση χρησιμοποίουνται 4 περιοχές ελέγχου. Αυτές κατασκευάζονται αντιστρέφοντας κάποια από τα κριτήρια επιλογής, έτσι ώστε να είναι εμπλουτισμένες στις διάφορες διαδικασίες υποβάθρου. Η αναλλοίωτη μάζα του πρωτεύοντος ζεύγους λεπτονίων χρησιμοποιείται για να κατασκευαστεί ένα μοντέλο, το οποίο προσαρμόζεται στα πραγματικά δεδομένα, στις 4 περιοχές ελέγχου, ταυτόχρονα. Οι περιοχές επικοινωνούν μέσω μια 5ης περιοχής. Τα αποτελέσματα εκφράζονται αρχικά σε αυτήν την 5η περιοχή και έπειτα μεταφέρονται στην περιοχή όπου όλα τα κριτήρια εφαρμόζονται κανονικά μέσω κάποιων παραγόντων μεταφοράς. Αυτοί οι παράγοντες ελέγχονται επίσης από τα πραγματικά δεδομένα χρησιμοποιώντας ένα κατάλληλο σύνολο γεγονότων. Στην ανάζητηση βαρέων συντονισμών η μέλετη επικεντρώνεται στην διαδικασία της προσαρμογής στα πραγματικά δεδομένα. Η προσαρμογή πραγματοποιείται με μια συνάρτηση μέγιστης πιθανοφάνειας. Από αυτήν προκύπτει μία test statistic μεταβλητή, η οποία δείχνει την συμφωνία των δεδομένων με κάποια θεωρητική υπόθεση. Μέσω αυτής της μεταβλητής ορίζονται τα ανώτερα όρια στην παράγωγη κάποιου νέου σωματιδίου με την μέθοδο CLs. Τέλος παρουσιάζονται τα όρια για την παραγωγή ενός Higgs-like συντονισμού. Στην τελευταία μελέτη γίνεται προσπάθεια μέτρησης του πλάτους διάσπασης του μποζονίου Higgs. Για να πραγματοποιηθεί αυτή η μέτρηση απαιτείται μέτρηση της ενεργού διατομής off-shell παραγωγής του μποζονίου. Για να αυξηθεί η ευαισθησία του πειράματος, εκτός από την βασική επιλογή γεγονότων, χρησιμοποιείται και η μέθοδος του στοιχείου πίνακα. Με την διακρίνουσα που πάραγεται από αυτήν την μέθοδο γίνεται η τελική προσαρμογή στα πραγματικά δεδομένα και εν τέλει εκτιμάται ένα ανώτερο όριο στο πλάτος διάσπασης.