Search for the lightest MSSM Higgs boson in cascades of supersymmetric particles in ATLAS

Abstract

Standard Modellen (SM) beskriver det meste av det vi har observert i eksperimenter fram til i dag. Allikevel er SM ikke sett på som en komplett teori, men heller en effektiv teori som fungere bra opp til et visst energinivå. Både forekomsten av en del uforklarte parameter samt at gravitasjon ikke er innlemmet i SM er sterke hint om at det må finnes en mer komplett teori. Dette har motivert teoretikere de siste 30 årene til å konstruere modeller som kan forklare disse manglene ved dagens modell. I tillegg er det i SM pr. i dag fortsatt en liten del som ikke er bekreftet av eksperimenter; den såkalte Higgs mekanismen som gir en forklaring på hvorfor partiklene har masse. Denne mekanismen forutsier eksistensen av en ny partikkel: Higgs partikkelen, som altså enda ikke er funnet. En av de mest betrodde teoriene som er konstruert som en videreutvikling av SM er supersymmetri (SUSY). SUSY er en symmetri mellom materie og krefter (eller fermioner og bososner). SUSY forutsier at hver SM partikkel har en superpartner med et annet spinn og masse. I tillegg vil Higgs sektoren bli utvidet til å inneholde flere Higgs bosoner. I den enkleste supersymmetriske forlengelse av SM, MSSM (Minimal Supersymmetric Standard Model), er det hele fem Higgs bosoner. Det letteste av disse Higgs bosonene vil være relativt lett (mindre enn 135GeV) og veldig likt Higgs bosonet forutsagt av SM. I denne oppgaven er det fokusert på hvordan man kan oppdage Higgs bosonet i partikkeleksperimentet ATLAS som er en del av LHC (Large Hadron Collider) på CERN. Oppgaven konsentrerer seg om Higgs produksjon fra en kaskade av supersymmetriske partikler, som vil oppstå når man får to supersymmetriske partikler produsert direkte fra proton-proton kollisjonen. Det klart mest dominerende henfallet til en lett Higgs vil vare til et b-kvark par. Dette er en vanskelig kanal å bruke, da andre prosesser, både SM og SUSY, som produserer b-kvarker har stort tverrsnitt på LHC. Dette medfører at signalet vil være vanskelig å skille fra all bakgrunnen. Spesielt er SM QCD og ttbar bakgrunnen problematisk. Allikevel, ved å bruke spesielle kjennetegn på supersymmetriske kaskader er det mulig å skille vekk mye av bakgrunnen. For å få et bedre signal er det i tillegg viktig at man har god forståelse for hvordan detektoren virker, da man er veldig avhengig av gode og effektive måter for å skille b-kvarker fra andre kvarker. I oppgaven har jeg tatt for meg flere forskjellige supersymmetriske scenarioer innen MSSM og vurdert mulighetene og forskjellige metoder for å oppdage det letteste supersymmetriske Higgs bosonet i ATLAS. Da LHC ikke begynner å operere før sent i 2008 er hele denne studien gjort med simulert data.

The Standard Model (SM) has been shown to describe to high accuracy all present results from precision measurements at high and low energies. Nevertheless, in spite of its impressive success, the SM is not regarded as a final theory. It is rather considered as an effective theory, which works well up to the weak energy scale. The presence of many unexplained parameters may be regarded as one of the SMs limitations. Another limitation, and probably most indispensable, is that the SM does not accommodate gravity. During the last 30 years theorists have worked fruitfully on constructing theoretically models which could give explanations to the experimentally determined values of the SM parameters and conform quantum physics with gravity. There is also one part in the Standard Model which is not yet confirmed by any experiments; the Higgs mechanism. The Higgs mechanism is a way to introduce mass to the particles in the Standard Model. This theory predicts the existence of another particle: the Higgs boson, which is not yet discovered. One of the most popular and believed new theories, and which is one of the key subjects of the ATLAS experimental program (a part of the LHC (Large Hadron Collider) at CERN), is the supersymmetric (SUSY) theory. SUSY postulates symmetry between fermions and bosons, that is, for every SM particle there is a super partner whose spin differs by ½. Since the SUSY particles are not yet discovered they have to be heavier than their SM partners (i.e. the symmetry is broken). The supersymmetric theory also introduces several Higgs bosons. The minimal supersymmetric extension of the SM, the MSSM (Minimal Supersymmetric Standard Model), predicts in fact five Higgs boson. The lightest Higgs boson is in most cases very similar to the SM Higgs boson and also relatively light (less than 135GeV). In this thesis the prospects and methods for discovering the lightest MSSM Higgs boson in ATLAS at CERN are studied. The thesis concentrate on Higgs production through cascades of supersymmetric particles, which happens when one get an initially produced pair of SUSY particles from the proton-proton collision. The far most dominant decay for a light Higgs is into a pair of b-quarks (branching ratio>0.8). Since the production of b-quarks, mostly from other sources than Higgs, is very probable at the LHC the background for this final state is huge. Especially the SM QCD and ttbar backgrounds are problematic because the have large cross sections at the LHC. Although, by using properties special only for SUSY cascades much of the SM background can be rejected. In addition, to achieve a good signal, it is also very important to have good understanding of the detector, because this study relies heavily on the efficiency for separating b-quarks from other quarks (so called b-tagging). In this thesis several scenarios within the MSSM are studied. In every scenario the prospects and best methods for discovering the lightest MSSM Higgs boson is discussed. Since the LHC will not start operating before the end of 2008 this study relies on simulated data.