Electroweak measurements via the vector boson scattering process pp->ZZjj with the ATLAS detector at the LHC
Authors: Μαράντης Αλέξανδρος 
Published: February 2024

Το σπάσιμο της ηλεκτρασθενούς συμμετρίας (Electroweak symmetry breaking - EWSB) κατέχει κεντρικό ρόλο στο Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model SM) της Σωματιδιακής Φυσικής επεξηγώντας επιτυχώς την προέλευση των μαζών των στοιχειωδών σωματιδίων μέσω των αλληλεπιδράσεών τους με το πεδίο Higgs. Μετά της ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, οι εκτεταμμένες έρευνες που αφορούν την EWSB, έχουν γίνει το κύριο αντικείμενο του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή (LHC). Εκτός από την άμεση μελέτη των ιδιοτήτων του μποζονίου Higgs, η σκέδαση ανυσματικών μποζονίων (VBS) αποτελεί ένα χρήσιμο εργαλείο για τη διερεύνηση των μηχανισμών που διέπουν την EWSB.Στον LHC, οι σκεδάσεις των ανυσματικών μποζονίων βαθμίδας πραγματοποιούνται μέσω συγκρούσεων πρωτονίου-πρωτονίου, όπου quarks που βρίσκονται στην αρχική τους κατάσταση εκπέμπουν δύο ανυσματικά μποζόνια τα οποία με τη σειρά τους αλληλεπιδρούν, με αποτέλεσμα την παραγωγή ενός ζεύγους από ανυσματικά μποζόνια. Αυτές οι διαδικασίες έχουν παρατηρηθεί σε διάφορα κανάλια που περιέχουν δύο μποζόνια, όπως τα WW, WZ, ZZ, Zγ και Wγ, παρόλα αυτά είναι σημαντική η συνέχιση της διεξαγωγής λεπτομερών μετρήσεων των διαδικασιών VBS ώστε να ενισχύσουμε την καταννόησή μας όσον αφορά την EWSB.Η παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζει τις λεπτομερείς μετρήσεις των διαφορικών ενεργών διατομών κινηματικών παραμέτρων σε δύο περιοχές του ανιχνευτή ATLAS οι οποίες ορίζονται με βάση κινηματικά κριτήρια με σκοπό την ενίσχυση ή καταστολή του σήματος που προέρχεται από διεργασίες VBS στο κανάλι ΖΖjj. Οι περιοχές αυτές ορίζονται ως VBS-Enhanced και VBS-Suppressed, αντίστοιχα. Οι μετρήσεις βασίζονται σε δεδομένα συγκρούσεων πρωτονίου-πρωτονίου τα οποία έχουν συλλεχθεί από το πείραμα ATLAS στον LHC σε ένεργεια κέντρου μάζας √s = 13 TeV, με ολοκληρωμένη φωτεινότητα 140 fb-1. Στο υπό μελέτη κανάλι ZZjj, και τα δύο μποζόνια Ζ διασπώνται σε ζεύγη φορτισμένων λεπτονίων (ee ή μμ). Η συγκεκριμένη τελική κατάσταση, παρουσιάζει ευαισθησία σε “ισχυρές” διεργασίες 4ljj , όπου οι πίδακες (jets) προέρχονται από ισχυρές αλληλεπιδράσεις, καθώς επίσης και σε ηλεκτρασθενείς διεργασίες 4ljj, οι οποίες χαρακτηρίζονται από ανταλλαγή ενός ηλεκτρασθενούς μποζονίου στο t-channel. Εκτός από τις μετρήσεις διαφορικών ενεργών διατομών, επιπλέον έρευνες διεξάγονται για την ερμηνεία των αποτελεσμάτων στο πλαίσιο των θεωριών Πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο (BSM). Πιο συγκεκριμένα, η παρούσα διατριβή εξετάζει την ευαισθησία των ανώμαλων Τετραπλών Συζεύξεων Μποζονίων (aQGC) με σκοπό να περιγράψει και να εξηγήσει πιθανές αποκλίσεις από το SM στα πλαίσια των διεργασιών VBS. Παρουσιάζονται οι μελέτες και τα ευρήματα που αφορούν την ευαισθησία και τη συνεισφορά των QGC παραμέτρων (συντελεστές Wilson 8ης διάστασης) στην ενεργό διατομή της διεργασίας VBS ZZjj, καθώς επίσης και την σημασία των κινηματικών μεταβλητών, όπως είναι η αναλλοίωτη μάζα του ζεύγους μποζονίων Ζ, ως εργαλεία για την ανίχνευση της επίδρασης των QGC. Επιπλέον, διερευνάται η χρήση των κατανομών Optimal Observables για την εκτίμηση των QGC, δίνοντας έμφαση στην δυνατότητά τους να χρησιμοποιηθούν ως εναλλακτικά μεγέθη στη διαδικασία ορισμού ορίων των συντελεστών Wilson.Τέλος, ιδιαίτερη έμφαση έχω δοθεί στο σύστημα Fast TracKer (FTK), ένα ενσωματωμένο υλικό του συστήματος Σκανδαλισμού και Λήψης Δεδομένων (Trigger and Data Acquisition) του ανιχνευτή ATLAS, το οποίο σχεδιάστηκε για την αναγνώριση και την ανακατασκευή τροχιών με εγκάρσια ορμή (pT) μεγαλύτερη του 1 GeV. Η πολυπλοκότητα του συστήματος FTK είναι εμφανής μέσω της ενσωμάτωσης πολυάριθμων ηλεκτρονικών διατάξεων. Μεταξύ αυτών, ιδιαίτερη σημασία έχουν τα Associated Memory chips, τα οποία αποθηκεύουν προσομοιωμένες τροχιές για μετέπειτα σύγκριση με τροχιές από πραγματικά γεγονότα. Ένα σημαντικό μέρος αυτής της εργασίας, αφιερώθηκε στον έλεγχο, τον εντοπισμό σφαλμάτων και την εγκατάσταση των Associative Memory Boards (ΑΜΒ) που φιλοξενούν τα AM chips του FTK στον ανιχνευτή ATLAS. Επιπλέον, δεδομένου ότι το σύστημα FTK βασίζεται σε πληροφορίες από τα στρώματα πυριτίου του Εσωτερικού Ανιχνευτή του ATLAS για τον υπολογισμό των βασικών παραμέτρων της τροχιάς, αναπτύχθηκε ένα λογισμικό για την παρακολούθηση σε υψηλό-επίπεδο (high-level) της ποιότητας δεδομένων που εξάγονται από το σύστημα FTK. Η διδακτορική διατριβή περιλαμβάνει τέσσερα κύρια μέρη. Το Μέρος 1 παρουσιάζει μια θεωρητική επισκόπηση, παρέχοντας μια περιγραφή των θεμελιωδών θεωριών που πλαισιώνουν το SM, καθώς επίσης και των συμμετριών που το διέπουν. Το Μέρος 2 κάνει μια εισαγωγή στον LHC και παρέχει λεπτομερείς πληροφορίες για το πείραμα ATLAS περιγράφοντας εκτενώς τα υποσυστήματα του ανιχνευτή καθώς και την υπολογιστική του υποδομή. Το Μέρος 3]εμβαθύνει στις μελέτες μέτρησης των διαφορικών ενεργών διατομών στη διεργασία παραγωγής ZZjj → 4ljj με τον ανιχνευτή ATLAS και τέλος, το Μέρος 4 επικεντρώνεται στην ερμηνεία των συντελεστών Wilson 8ης διάστασης της Effective Field Theory (EFT), καθώς επίσης και στις διάφορες μελέτες που έχουν διεξαχθεί προκειμένου να εξαχθούν τα όρια αυτών των συντελεστών και πιο συγκεκριμένα της ομάδας συντελεστών που σχετίζονται με τον τελεστή OT του μοντέλου Eboli.