Details

Search for scalar quarks in e + e - collisions at LEP II

by Sushkov, Serge

Abstract (Summary)
Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Suche nach dem skalaren Top Quark (stop) und dem skalaren Bottom Quark (sbottom) innerhalb des Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) unter der Annahme der R-Paritätserhaltung. Suchen nach den folgenden Zerfallsmoden des Stop-Quark wurden durchgeführt: stop -> c neutralino_1, stop -> b l sneutrino (wobei l mit gleichen Wahrscheinlichkeiten entweder electron, muon oder tau-lepton ist) und stop -> b tau sneutrino (nur das Tau-Lepton wird berücksichtigt). Zusätzlich wurde der Dreikörperzerfall stop -> b W neutralino_1 im erlaubten Massenbereich M_stop > M_b + M_W + M_neutralino1 >= 86 GeV gesucht. Für das Sbottom-Quark wurde der Zerfall sbottom -> b neutralino_1 studiert. Jede dieser Zerfallsmoden wurde voneinander unabhängig unter der Annahme eines 100 %-igen Verzweigungsverhältnisses untersucht. Für diese Suche wurden Daten aus electron-positron-Kollisionen bei Schwerpunktsenergien im Bereich von 202-208 GeV benutzt. Die Daten wurden im Jahr 2000 von dem L3 Detektor am Large Electron Positron Collider (LEP) am CERN aufgenommen. Ferner wurden die Resultate der Datenanalyse aus dem Jahr 2000 mit Resultaten der Squark-Suche kombiniert, die die L3 Kollaboration in vorhergehenden Jahren bei Schwerpunktsenergien von 161 bis 202 GeV durchgeführt hat. Die untersuchten Squark Zerfallskanäle bestimmen die Topologie der für uns interessanten Ereignisse: 2 Jets (oder b-Jets) + fehlende Energie (+ 2 Leptonen für die Stop-Dreikörperzerfälle). Die stop -> b W neutralino_1 Zerfallstopologie hängt signifikant von den weiteren Zerfällen des W-Bosons ab und kann bis zu 6 Jets im Endzustand haben. Die Annahme der R-Paritätserhaltung impliziert die Stabilität des leichtesten supersymmetrischen Teilchens (des LSP), das das leichteste Neutralino ist. Das LSP wechselwirkt nur schwach und entweicht deswegen unentdeckt. Ein besonderes Merkmal der Signal-Ereignisse ist somit eine erhebliche Menge fehlender Energie. Die sichtbare Energie ist in etwa proportional zu der Massendifferenz zwischen dem Squark und dem LSP. Weil die Standardmodell-Untergrundzusammensetzung vom Anteil der sichtbaren Energie abhängt, hängt die Analyse auch vom Wert von der Massendifferenz ab. Abhängig von der Menge fehlender Energie kann der Standardmodell-Untergrund in drei Kategorien eingeteilt werden: - die zwei-Fermion-Prozesse sind e e -> e e, e e -> mu mu, e e -> tau tau und e e -> e e q q; - die vier-Fermion-Kategorie besteht aus e e -> W W, e e -> W e nu, e e -> Z Z und e e -> Z e e Prozessen; - die zwei-Photon-Untergrundprozesse sind e e -> e e e e, e e -> e e mu mu, e e -> e e tau tau und e e -> e e q q. Der letzte Prozess, e e -> e e q q, trägt den grössten Anteil zu den SM-Untergrundprozessen bei (wegen sehr hohem und stark schwankendem E_miss und dem grössten Wirkungsquerschnitt). Im ersten Schritt der Analyse wurden Events mit der gewünschten Topologie (2 Jets und hohes E_miss) vorselektiert. Die Selektion von Stop- und Sbottom-Ereignissen wurde durch die Minimierung der mit 95 % Confidence Level (C.L.) erwarteten oberen Grenze des Squark-Wirkungsquerschnitts - berechnet aus MC-Vorhersagen - optimiert, wobei der kleine theoretisch vorhergesagte Produktionswirkungsquerschnitt des Squarks berücksichtigt wurde. In allen für den jeweiligen Squark Zerfallskanal optimierten Selektionen stimmt die Anzahl von Daten Events mit der erwarteten Anzahl von Standardmodellprozessen überein: - für den stop -> c neutralino_1 Zerfall wurden 29 Daten-Events beobachtet, wobei 26.5 +- 2.7 Events von den SM-Prozessen erwartet wurden; - für den Dreikörperzerfall stop -> b l sneutrino, wurden 4 Daten-Events selektiert bei einer Standardmodell-Erwartung von 4.0 +- 1.0 Events; - für den Zerfall stop -> b tau sneutrino sind die Daten- und SM-Eventzahlen 5 bzw. 3.9 +- 1.0; - in der Selektion für stop -> b W neutralino_1, wurden 184 Daten Events beobachtet und 181.6 +- 3.0 Events wurden vom Standardmodell vorhergesagt; - für den Bottom Squark Zerfall sbottom -> b neutralino_1 entsprachen die beobachteten 6 Events der SM-Erwartung von 7.7 +- 1.3 Events. Es wurden keine MSSM-Skalar-Quarks in den Daten des Experiments beobachtet und das Resultat der Suche ist negativ. Die modellunabhängige 95 % C.L. obere Grenze für den Squark-Produktionswirkungsquerschnitt wurde aus der gemessenen Anzahl von Daten-Events und der aus dem Standardmodell erwarteten Eventanzahl berechnet. Für die Berechnung der oberen Grenzen der Produktionswirkungsquerschnitte wurden die Resultate der Squark-Suchen aus den L3-Daten bei Schwerpunktsenergien von c.m.s. Energie 202 - 208 GeV mit den Resultaten aus vorherigen Suchen der L3-Kollaboration bei 161 GeV - 202 GeV kombiniert. Eine neue Methode wurde entwickelt, um die kombinierten Grenzen zu berechnen. Die Methode berücksichtigt die statistische Unabhängigkeit jeder Messung und die Abhängigkeit des Squark-Produktionswirkungsquerschnittes von der Schwerpunktsenergie. In der Berechnung wurde den systematischen Unsicherheiten in der Standardmodell-Untergrundabschätzung und der Signal-Selektionseffizienz Rechnung getragen. Für die hier betrachteten Squark-Zerfälle werden typisch folgende oberen Grenzen mit 95 % C.L. für den Squark Produktionswirkungsquerschnitt erhalten: ~ 0.05-0.2 pb (für stop) und ~ 0.05-0.1 pb (für sbottom). Bei den Suchen nach dem Stop-Dreikörperzerfall stop -> b W neutralino_1 wurden die Produktionswirkungsquerschnitte über 0.7-1.0 pb mit 95 % C.L. ausgeschlossen. Innerhalb des Minimal Supersymmetrischen Standard Modells mit R-Paritätserhaltung wurden die unabhängigen Wirkungsquerschnittsgrenzen für den Ausschluss von MSSM Parametern benutzt, insbesondere für die Stop- und Sbottom-Massen. Die Squark-Massen wurden für jeden betrachteten Zerfallskanal in zwei möglichen Szenarien ausgeschlossen: für den maximalen und den (näherungsweise) minimalen theoretischen Wirkungsquerschnitt. Der erste Fall korrespondiert zur maximalen Mischung zwischen den links- und rechtshändigen Squark-Eigenzuständen, $\cos\theta_{LR}$ = 1; der zweite Fall ist definiert durch den Wert von $\cos\theta_{LR}$, bei dem die Squarks vom $Z^0$ Boson entkoppeln. Abhängig vom Wert $\Delta M$ wurden die Squark Massen mit 95 % C.L. bis zu den folgenden Werten ausgeschlossen: - für stop -> c neutralino_1: M_stop < 90-93 GeV (min. Wirkungsquerschnitt), M_stop < 95-96 GeV (max. Wirkungsquerschnitt), - für stop -> b l sneutrino: M_stop < 87-89 GeV (min. Wirkungsquerschnitt), M_stop < 90-91 GeV (max. Wirkungsquerschnitt), - für stop -> b tau sneutrino: M_stop < 83-88 GeV (min. Wirkungsquerschnitt), M_stop < 88-91 GeV (max. Wirkungsquerschnitt), - für sbottom -> b neutralino_1: M_stop < 76-83 GeV (min. Wirkungsquerschnitt), M_stop < 94-97 GeV (max. Wirkungsquerschnitt), In beiden Fällen werden die experimentell beobachteten 95 % C.L. Massen Ausschlussgrenzen mit den aus Monte Carlo Simulationen ohne SUSY Teilchen erwarteten verglichen. Die experimentallen Ausschlussgrenzen Sind verträglich mit den erwarteten. Die mit 95 % C.L. erhaltene obere Grenze für den Stop-Produktionquerschnitt ist im Zerfall stop -> b W neutralino_1 grösser als die zugehörige theoretische Vorhersage. Der Ausschluss mit 95 % C.L. auf Massen war mit dem zur Verfügung stehenden Datensatz aus diesen Grund nicht möglich. Unter der Annahme, dass die Zerfallstopologie der skalaren Quarks der ersten zwei Generationen ähnlich dem Zweikörperzerfall des Stop ist, wurden die Resultate der Suche nach dem Zerfall stop -> c neutralino_1 auch für die Berechnung der Massenausschlussgrenzen für die Squarks der ersten beiden Familien benutzt. Zwei Möglichkeiten wurden hier in Erwägung gezogen: die Massenentartung zwischen vier (scalar u, d, c, s) und fünf (sbottom zusätzlich) Squarks. Die Ausschlussgrenzen mit 95 % C.L. auf die massenentarteten skalaren Quarks in den Fällen der "nur-rechts" oder "links-und-rechts" Eigenzustände sind die folgenden: - für die Massenentartung zwischen vier Squarks: M_squark < 95-96 GeV ("nur-rechts"), M_squark < 99-100 GeV ("links-und-rechts"); - für die Massenentartung zwischen fünf Squarks: M_squark < 96-97 GeV ("nur-rechts"), M_squark < 99-101 GeV ("links-und-rechts"); Mit der Annahme der Gaugino-Vereinigung an der GUT-Skala im MSSM wurden die Grenzen für die vierfach massenentarteten Squarks erneut in der Squark-Gluino Ebene interpretiert. Ferner wurde das absolute Limit auf den MSSM-Parameter M_2, der für tan(beta) = 4 aus anderen L3-SUSY-Suchen (für Chargino, Neutralino und skalare Leptonen) ermittelt worden ist, in ein Gluino-Massenlimit übersetzt. Die mit 95 % C.L. erhaltenen Ausschlussgrenzen in der Squark-Gluino Massenebene sind - M_gluino > 267-314 GeV, - M_squark > 99-100 GeV.
This document abstract is also available in English.
Bibliographical Information:

Advisor:

School:Humboldt-Universität zu Berlin

School Location:Germany

Source Type:Master's Thesis

Keywords:Physik, Astronomie Suchen Physik

ISBN:

Date of Publication:09/22/2003

© 2009 OpenThesis.org. All Rights Reserved.