Προσδιορισμός σήματος και υποβάθρου στη διαδικασία pp -&gt; ZZ -&gt; 2 λεπτόνια + 2 νετρίνα στο πείραμα ATLAS
Creators: name: Φακούδης, Διονύσιος Ευάγγελου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2021
Subjects: ΑΤΛΑΣ
Παραγωγή δι-μποζονίου
Εκτιμητής Μέγιστης Πιθανοφάνειας
ATLAS
Diboson production
Maximum Likelihood Estimator

description: Σ' αυτή την εργασία γίνεται εκτίμηση της συνεισφοράς σήματος και υποβάθρου κατά την παραγωγή δύο μποζονίων Ζ σε συγκρούσεις πρωτονίων σε ενέργεια sqrt(s) = 13 TeV, όπου τα δύο μποζόνια Ζ διασπώνται σε 2 λεπτόνια και 2 νετρίνα. Τα γεγονότα που αναλύονται συλλέχθηκαν από το πείραμα ATLAS στο CERN και αντιστοιχούν σε ολοκληρωμένη φωτεινότητα 139/fb. Ορίζεται μια "περιοχή σήματος" με τη χρήση κριτηρίων επιλογής που ενισχύουν τη σχετική συνεισφορά του σήματος. Παρ' όλ' αυτά, σε αυτή την περιοχή σήματος υπάρχει και συνεισφορά από διαδικασίες υποβάθρου. Για να εκτιμηθεί η συνεισφορά του υποβάθρου, κατασκευάζονται ειδικές "περιοχές ελέγχου" με κριτήρια επιλογής που έχουν σχεδιαστεί ώστε σε κάθε μία από αυτές να κυριαρχεί ένα είδος υποβάθρου σε κάθε περιοχή ελέγχου. Ορίζονται τρεις περιοχές ελέγχου οι οποίες αντιστοιχούν στα τρία σημαντικότερα υπόβαθρα: α) ζεύγη λεπτονίων που δεν παράγονται από κάποιο συντονισμό (από WW, Wt, top, t tbar), β) γεγονότα WZ όπου μόνο δύο λεπτόνια τακτοποιούνται με τα κριτήρια που έχουμε θέσει, και γ) γεγονότα Z+jets όπου οι πίδακες σωματιδίων (jets) δεν έχουν μετρηθεί καλά και έτσι η συνολική ορμή στο εγκάρσιο επίπεδο δεν είναι μηδέν ως όφειλε, και κατά συνέπεια η ανισορροπία στην εγκάρσια ορμή αποδίδεται λανθασμένα στην παρουσία νετρίνων. Η στρατηγική εκτίμησης του υποβάθρου είναι η εξής: χρησιμοποιούνται οι προβλέψεις από προσομοιώσεις Monte Carlo για τις διαδικασίες υποβάθρου, αλλά αυτές διορθώνονται με κατάλληλους πολλαπλασιαστικούς παράγοντες, έτσι ώστε η υποτιμούμενη συνεισφορά των υποβάθρων να εξηγεί το παρατηρούμενο πλήθος των γεγονότων στις περιοχές ελέγχου. Ορίζονται λοιπόν τρεις πολλαπλασιαστικοί παράγοντες, ένας για κάθε πηγή υποβάθρου, οι οποίοι είναι "οικουμενικοί", με την έννοια ότι χρησιμοποιούνται για τη διόρθωση των αντίστοιχων προβλέψεων των προσομοιώσεων Monte Carlo σε οποιαδήποτε περιοχή, συμπεριλαμβανομένης και της περιοχής σήματος. Ο αντίστοιχος πολλαπλασιαστικός παράγοντας για τα γεγονότα σήματος ονομάζεται "ισχύς σήματος" και ποσοτικοποιήσει τη συμβατότητα του πλήθους των μετρούμενων γεγονότων σήματος με την πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου (εκφρασμένο από την πρόβλεψη από τις προσομοιώσεις). Πολλαπλασιάζοντας την ενεργό διατομή που χρησιμοποιήθηκε για τις προσομοιώσεις Monte Carlo με την ισχύ σήματος μπορείς κανείς να μετρήσει την απόλυτη τιμής της ενεργού διατομής για την παραγωγή του σήματος. Χρησιμοποιώντας έναν απλό ιδιωτικό κώδικα, βασισμένο σε C++ και στο λογισμικό ROOT, το συνολικό πλήθος γεγονότων στις περιοχές σήματος και ελέγχου προσαρμόζεται ώστε να υπολογιστούν οι πολλαπλασιαστικοί παράγοντες για το σήμα και το υπόβαθρο: μs ,μNR ,μZ+jets ,μWZ. Ο απλός ιδιωτικός κώδικας δεν παίρνει υπ' όψιν του συστηματικές αβεβαιότητες: το στατιστικό πακέτο TRExFitter χρησιμοποιήθηκε για να υπολογιστεί η συνεισφορά των συστηματικών στην ακρίβεια υπολογισμού της ισχύς σήματος. Ως επίδειξη της μεθόδου, πρώτα εξετάζουμε την περίπτωση "1-bin" (δηλ., τη χρήση του συνολικού πλήθος γεγονότων σε κάθε περιοχή). Εν συνεχεία, χρησιμοποιούνται δύο κατανομές γεγονότων: η κατανομή των γεγονότων συναρτήσει της εγκάρσιας ορμής του ορατού μποζονίου Ζ (δηλ, του συστήματος των δύο λεπτονίων), και η κατανομή τους συναρτήσεις της αζιμουθιακής γωνίας μεταξύ του ορατού Ζ και του διανύσματος της εγκάρσιας ελλείπουσας ενέργειας. Τέλος, τα αποτελέσματα από τη χρήση των δύο κατανομών συνδυάζονται και η ισχύς σήματος βρίσκεται συμβατή με τη μονάδα, δηλώνοντας έτσι ότι τα παρατηρούμενα γεγονότα σήματος είναι συμβατά με όσα προβλέπει το Καθιερωμένο Πρότυπο
description: In this thesis we estimate the signal and the background contributions in the production of two Z bosons in proton-proton collisions at sqrt(s)= 13 TeV, where the two Z bosons decay to 2 leptons and 2 neutrinos. The data sample was collected by the ATLAS experiment at CERN and it corresponds to an integrated luminosity of 139/fb. A "signal region" is defined by using selection criteria which enhance the relative signal contribution. Nevertheless, a number of background processes contribute to this signal region. In order to estimate the background contribution, dedicated "control regions" are constructed with selection criteria designed to have one background source dominating in each control region. Three Control Regions are constructed, corresponding to the three major backgrounds: a) Non-Resonant lepton pairs (from WW,Wt,top, t tbar), b) WZ events where only two leptons are found, and c) Z+jets events where the jets are mismeasured and create a momentum imbalance which is falsely taken as an indication for the presence of neutrinos. The strategy for the background estimate is to use the Monte Carlo predictions of these background processes, but to scale them appropriately so that the estimates match the event counts observed in the control regions in the data. Three scale factors are found, one for each background source, which are "global", in the sense that they are applied to scale the respective Monte Carlo prediction of each background source in any region, including the signal region. The corresponding scale factor for the signal events is called signal strength and it quantifies the compatibility of the observed signal yield with the SM prediction (which is expressed by the Monte Carlo estimate). Multiplying the cross section used in the signal Monte Carlo by the signal strength, one can measure the absolute value of the signal cross section. Using a simple private code, based on C++ and ROOT, the integrated event counts in the Signal and Control Regions are fitted to calculate the Signal Strength and the re-scaling factors for the corresponding backgrounds: μs ,μNR ,μZ+jets ,μWZ. The private code does not take systematic uncertainness into account; the TRExFitter statistical framework is used to calculate their effect on the measured signal strength. First, the "1-bin" case (i.e., the integrated event counts in the various regions) is fitted as a demonstration of the ideas of the method. Then, two multi-bin distributions are fitted: the distribution of events as a function of the transverse momentum of the visible Z boson (i.e. the two-lepton system) and the distribution as a function of the azimuthal angle between the visible Z and the missing transverse energy vector. Finally, results of the two multi-bin fits are combined in a single fit and the signal strength is found to be consistent with unity, revealing that the observed signal yield is compatible with the Standard Model prediction