Study of vector boson scattering and search for new physics in events with two same-sign leptons and two jets

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Identification techniques for highly boosted W bosons that decay into hadrons

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Anomalous couplings in e(+)e(-)->W+W- gamma at CERN LEP 2 and NLC

We present sensitivity limits on the coefficients of a dimension-6 effective Lagrangian that parametrizes the possible effects of new physics beyond the standard model. Our results are based on the study of the process e(+)e(-)-->W+W- y at CERN LEP 2 and NLC energies. In our calculations, we include all the new anomalous interactions, involving vectors and Higgs bosons, and take into account the standard model irreducible background. We analyze the impact of these new interactions on the total cross section. including the effects of the initial electron and final W polarizations. We then focus on the operators that will not be constrained by the e(+)e(-)-->W+W- process, obtaining limits based on the photon energy distribution.

Suche nach Endzuständen mit zwei Leptonen und fehlender transversaler Energie in pp-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 1.96 TeV

In der vorliegenden Arbeit wurden Daten aus Proton-Antiproton-Kollisionen analysiert, die im Zeitraum von April 2002 bis März 2004 mit dem DO-Detektor bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt(s) = 1.96 TeV am Tevatron-Beschleuniger am Fermi National Accelerator Laboratory aufgezeichnet wurden. Je nach Analyse entsprechen die verwendeten Datensätze integrierten Luminositäten von 158-252 pb^-1. Die Ereignisse wurden auf die Existenz von Higgs-Bosonen und Charginos und Neutralinos untersucht. Außerdem wurde eine Messung des Wirkungsquerschnittes der Paarproduktion von W-Bosonen durchgeführt. Für die Suchen nach Higgs-Bosonen wurden leptonische Endzustände mit zwei Elektronen bzw. einem Elektron und einem Myon untersucht, wie sie bei Zerfällen von Higgs-Bosonen über zwei W-Bosonen erwartet werden. Wegen des momentan zur Verfügung stehenden geringen Datensatzes ist nur möglich, die Daten auf die Existenz von Higgs-Bosonen zu untersuchen, wie sie innerhalb alternativer Modelle vorhergesagt werden. Aufgrund größerer Produktionswirkungsquerschnitte werden die Higgs-Bosonen mit erhöhter Rate erzeugt und werden somit schon bei niedrigen integrierten Luminositäten zugänglich. Bei der durchgeführten Analyse wurde eine gute Übereinstimmung der beobachteten Ereignisse mit der Erwartung aus Prozessen des Standardmodells gefunden. Da keine Evidenz für die Existenz von Higgs-Bosonen beobachtet wurde, wurden die Ergebnisse verwendet, um mit einem Vertrauensniveau von 95% eine obere Grenze auf den Produktionswirkungsquerschnitt multipliziert mit dem Verzweigungsverhältnis anzugeben. Durch eine Kombination der ee-, emu- und mumu-Endzustände erhält man eine obere Grenze zwischen 5.7 und 40.3 pb im Higgs-Massenbereich von 100-200 GeV. Die Ergebnisse zeigen, daß auch der hier verwendete Datensatz noch zu klein ist, um auch Higgs-Bosonen im Rahmen der alternativen Modelle zu entdecken bzw. auszuschließen. Um die assoziierte Produktion von Charginos und Neutralinos nachzuweisen, wurden ebenfalls Endzustände mit einem Elektron und einem Myon untersucht. Zur Verbesserung der Sensitivität wurde eine Kombination mit Analysen in ee- und mumu-Endzuständen durchgeführt. Da auch hier eine gute Konsistenz mit der Erwartung der Untergrundprozesse innerhalb des Standardmodells gefunden wurde, wurden ebenso obere Grenzen auf den Produktionswirkungsquerschnitt multipliziert mit dem Verzweigungsverhältnis gesetzt. Die Ergebnisse werden im Rahmen des mSUGRA-Modells interpretiert. Es ergeben sich obere Grenzen zwischen 0.46 und 0.63 pb für Charginomassen im Bereich von 97 GeV bis 114 GeV. Dies stellt eine deutliche Verbesserung der bei früheren Messungen bei DO erhaltenen Ausschlußgrenzen dar. Allerdings ist es wiederum aufgrund des geringen Datensatzes nicht möglich, Punkte im mSUGRA-Parameterraum oberhalb der bei LEP gefundenen Grenzen auszuschließen. Die Ergebnisse können auch verwendet werden, um allgemeinere SUSY-Modelle einzuschränken, die ebenfalls entsprechende Beziehungen zwischen den Chargino- und Neutralino-Massen erfüllen. Den Hauptuntergrund bei diesen Suchen stellt die Paarproduktion von W-Bosonen dar. Es wurde zum ersten Mal im Rahmen des DO-Experimentes eine Messung des Wirkungsquerschnittes der W-Paarproduktion mit einer Signifikanz von mehr als 3 sigma durchgeführt. Es wird eine gute Übereinstimmung mit der Next-to-leading-order-Vorhersage der Theorie gefunden. Kombiniert man die ee-, emu- und mumu-Endzustände, ergibt sich ein Wirkungsquerschnitt von sigma(WW) = 13.35+4.65-3.99(stat) +0.77-1.05(syst) +-0.87(Lum) pb.

Suche nach einem leichten Higgs-Boson im Kanal WH ev e bb in pp-Kollisionen bei s=1.96 TeV am DO-Detektor des Tevatron

Eine wichtige Komponente des Standardmodells der Teilchenphysik bildet der Higgs-Mechanismus, der benötigt wird um den vom Standardmodell beschriebenen Teilchen Masse zu verleihen. Dieser Mechanismus beinhaltet jedoch ein weiteres schweres Elementarteilchen das bislang noch nich beobachtet werden konnte. Die Suche nach diesem Teilchen ist eines Hauptziele der derzeitigen Forschung an Teilchenbeschleunigern. Diese Arbeit untersucht die vom D0-Detektor am Tevatron des Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL) aufgezeichneten Daten von ppbar-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt{s}=1.96 TeV, um im Kanal WH -> enu bb nach einem leichten Higgs-Boson zu suchen. Darüber hinaus wird der Produktionswirkungsquerschnitt der Wbb-Produktion ermittelt. Für die Analyse stand eine integrierte Luminosität von L=255pb^{-1} zur Verfügung. Zur Selektion dieser Prozesse, werden Ereignisse ausgewählt, die Elektronen und fehlenden Transversalimpuls enthalten, sowie mindestens zwei Jets, die sich als b-Jets identifizieren lassen. Um eine effiziente Selektion zu erhalten, wurden Schnitte auf verschiedene Kenngrößen entwickelt, getestet und optimiert. Aus den selektierten Ereignissen wird der Wbb-Wirkungsquerschnitt ermittelt, der für Ereignisse angegeben wird, in denen die b-Quarks p_T>8 GeV und |eta|<3 erfüllen. Der unter Berücksichtigung des Verzweigungsverhältnisses BR(W->enu)=0.108 errechnete Wert ist sigma(Wbb)=21.8 pb (+15.5; -20.0 pb(sys+stat)). Wegen der geringen Signifikanz der Messung von etwa 1.2sigma wurden die Ereigniszahlen auch zur Berechnung einer oberen Grenze auf den Wirkungsquerschnitt verwendet, die sich bei einem Konfidenzniveau von 95% zu sigma^95(Wbb)=60.9pb ergibt. Ebenso wurden Grenzen auf den WH-Produktionswirkungsquerschnitt ermittelt. Dafür wurde die statistische Methode von Feldman und Cousins angewandt, nachdem sie nach den Vorschlägen von Conrad et al. erweitert worden war, um systematische Unsicherheiten zu berücksichtigen. Für ein Standardmodell Higgs-Boson der Masse 115 GeV kann eine obere Grenze auf den Produktionswirkungsquerschnitt von sigma^{95} (WH)=12.2pb angegeben werden. Für höhere Massen bis 135 GeV werden ähnliche Grenzen ermittelt.

Measurement of the forward-backward asymmetry of Z boson decays in electron-positron pairs with the ATLAS detector in proton-proton collisions at root out s = 7TeV at the LHC

In this thesis the measurement of the effective weak mixing angle wma in proton-proton collisions is described. The results are extracted from the forward-backward asymmetry (AFB) in electron-positron final states at the ATLAS experiment at the LHC. The AFB is defined upon the distribution of the polar angle between the incoming quark and outgoing lepton. The signal process used in this study is the reaction pp to zgamma + X to ee + X taking a total integrated luminosity of 4.8\,fb^(-1) of data into account. The data was recorded at a proton-proton center-of-mass energy of sqrt(s)=7TeV. The weak mixing angle is a central parameter of the electroweak theory of the Standard Model (SM) and relates the neutral current interactions of electromagnetism and weak force. The higher order corrections on wma are related to other SM parameters like the mass of the Higgs boson.rnrnBecause of the symmetric initial state constellation of colliding protons, there is no favoured forward or backward direction in the experimental setup. The reference axis used in the definition of the polar angle is therefore chosen with respect to the longitudinal boost of the electron-positron final state. This leads to events with low absolute rapidity have a higher chance of being assigned to the opposite direction of the reference axis. This effect called dilution is reduced when events at higher rapidities are used. It can be studied including electrons and positrons in the forward regions of the ATLAS calorimeters. Electrons and positrons are further referred to as electrons. To include the electrons from the forward region, the energy calibration for the forward calorimeters had to be redone. This calibration is performed by inter-calibrating the forward electron energy scale using pairs of a central and a forward electron and the previously derived central electron energy calibration. The uncertainty is shown to be dominated by the systematic variations.rnrnThe extraction of wma is performed using chi^2 tests, comparing the measured distribution of AFB in data to a set of template distributions with varied values of wma. The templates are built in a forward folding technique using modified generator level samples and the official fully simulated signal sample with full detector simulation and particle reconstruction and identification. The analysis is performed in two different channels: pairs of central electrons or one central and one forward electron. The results of the two channels are in good agreement and are the first measurements of wma at the Z resonance using electron final states at proton-proton collisions at sqrt(s)=7TeV. The precision of the measurement is already systematically limited mostly by the uncertainties resulting from the knowledge of the parton distribution functions (PDF) and the systematic uncertainties of the energy calibration.rnrnThe extracted results of wma are combined and yield a value of wma_comb = 0.2288 +- 0.0004 (stat.) +- 0.0009 (syst.) = 0.2288 +- 0.0010 (tot.). The measurements are compared to the results of previous measurements at the Z boson resonance. The deviation with respect to the combined result provided by the LEP and SLC experiments is up to 2.7 standard deviations.

Search for the Higgs boson in the H-->WW(*)-->l(+)nul(-)nu decay channel in pp collisions at radicals=7 TeV with the ATLAS detector

A search for the Higgs boson has been performed in the H-->WW(*)-->l(+)nul(-)nu[over ] channel (l=e/mu) with an integrated luminosity of 2.05 fb(-1) of pp collisions at radicals=7 TeV collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. No significant excess of events over the expected background is observed and limits on the Higgs boson production cross section are derived for a Higgs boson mass in the range 110 GeVHiggs boson with a mass 145

Transverse-momentum spectra of electroweak bosons near threshold at NNLO

We obtain the next-to-next-to-leading order corrections to transverse-momentum spectra of W, Z and Higgs bosons near the partonic threshold. In the threshold limit, the electroweak boson recoils against a low-mass jet and all radiation is either soft, or collinear to the jet or the beam directions. We extract the virtual corrections from known results for the relevant two-loop four-point amplitudes and combine them with the soft and collinear two-loop functions as defined in Soft-Collinear Effective Theory. We have implemented these results in a public code PeTeR and present numerical results for the threshold resummed cross section of W and Z bosons at next-to-next-to-next-to-leading logarithmic accuracy, matched to next-to-leading fixed-order perturbation theory. The two-loop corrections lead to a moderate increase in the cross section and reduce the scale uncertainty by about a factor of two. The corrections are significantly larger for Higgs production.

Higgs-boson production at small transverse momentum

Using methods from effective field theory, we have recently developed a novel, systematic framework for the calculation of the cross sections for electroweak gauge-boson production at small and very small transverse momentum q T , in which large logarithms of the scale ratio m V /q T are resummed to all orders. This formalism is applied to the production of Higgs bosons in gluon fusion at the LHC. The production cross section receives logarithmically enhanced corrections from two sources: the running of the hard matching coefficient and the collinear factorization anomaly. The anomaly leads to the dynamical generation of a non-perturbative scale q∗~mHe−const/αs(mH)≈8 GeV, which protects the process from receiving large long-distance hadronic contributions. We present numerical predictions for the transverse-momentum spectrum of Higgs bosons produced at the LHC, finding that it is quite insensitive to hadronic effects.

Search for new phenomena in events with three charged leptons at a center-of-mass energy of 7 TeV with the ATLAS detector

A generic search for anomalous production of events with at least three charged leptons is presented. The search uses a pp-collision data sample at a center-of-mass energy of root s = 7 TeV corresponding to 4.6 fb(-1) of integrated luminosity collected in 2011 by the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider. Events are required to contain at least two electrons or muons, while the third lepton may either be an additional electron or muon, or a hadronically decaying tau lepton. Events are categorized by the presence or absence of a reconstructed tau-lepton or Z-boson candidate decaying to leptons. No significant excess above backgrounds expected from Standard Model processes is observed. Results are presented as upper limits on event yields from non-Standard-Model processes producing at least three prompt, isolated leptons, given as functions of lower bounds on several kinematic variables. Fiducial efficiencies for model testing are also provided. The use of the results is illustrated by setting upper limits on the production of doubly charged Higgs bosons decaying to same-sign lepton pairs.

Search for a light charged Higgs boson in the decay channel H⁺ o c ars in t art events using collisions at sqrts = 7 TeV with the ATLAS detector

A search for a charged Higgs boson (H+) in t (t) over bar decays is presented, where one of the top quarks decays via t -> H(+)b, followed by H+ -> two jets (c (s) over bar). The other top quark decays to Wb, where the W boson then decays into a lepton (e/mu) and a neutrino. The data were recorded in pp collisions at root s = 7 TeV by the ATLAS detector at the LHC in 2011, and correspond to an integrated luminosity of 4.7 fb(-1). With no observation of a signal, 95 % confidence level (CL) upper limits are set on the decay branching ratio of top quarks to charged Higgs bosons varying between 5 % and 1 % for H+ masses between 90 GeV and 150 GeV, assuming B(H+ -> c (s) over bar) = 100 %.

Search for pair production of heavy top-like quarks decaying to a high-pT W boson and a b quark in the lepton plus jets final state at sqrts=7 TeV with the ATLAS detector

A search is presented for production of a heavy up-type quark (t') together with its antiparticle, assuming a significant branching ratio for subsequent decay into a W boson and a b quark. The search is based on 4.7 fb(-1) of pp collisions root s = 7 TeV recorded in 2011 with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider. Data are analyzed in the lepton + jets final state, characterized by a high-transverse-momentum isolated electron or muon, large missing transverse momentum and at least three jets. The analysis strategy relies on the substantial boost of the W bosons in the t'(t') over bar signal when m(t') greater than or similar to 400 GeV. No significant excess of events above the Standard Model expectation is observed and the result of the search is interpreted in the context of fourth-generation and vector-like quark models. Under the assumption of a branching ratio BR(t' -> W b) = I, a fourth-generation t' quark with mass lower than 656 GeV is excluded at 95% confidence level. In addition, in light of the recent discovery of a new boson of mass similar to 126 GeV at the LHC, upper limits are derived in the two-dimensional plane of BR(t' -> Wb) versus BR(t' -> Ht), where H is the Standard Model Higgs boson, for vector-like quarks of various masses.

Right-handed neutrino production rate at T > 160 GeV

The production rate of right-handed neutrinos from a Standard Model plasma at a temperature above a hundred GeV has previously been evaluated up to NLO in Standard Model couplings (g ~ 2/3) in relativistic (M ~ πT) and non-relativistic regimes (M ≫ πT), and up to LO in an ultrarelativistic regime (M ≲ gT). The last result necessitates an all-orders resummation of the loop expansion, accounting for multiple soft scatterings of the nearly light-like particles participating in 1↔2 reactions. In this paper we suggest how the regimes can be interpolated into a result applicable for any right-handed neutrino mass and at all temperatures above 160GeV. The results can also be used for determining the lepton number washout rate in models containing right-handed neutrinos. Numerical results are given in a tabulated form permitting for their incorporation into leptogenesis codes. We note that due to effects from soft Higgs bosons there is a narrow intermediate regime around M ~g 1/2 T in which our interpolation is phenomenological and a more precise study would be welcome.

Search for direct production of charginos and neutralinos in events with three leptons and missing transverse momentum in sqrts = 8TeV pp collisions with the ATLAS detector

A search for the direct production of charginos and neutralinos in final states with three leptons and missing transverse momentum is presented. The analysis is based on 20.3 fb−1 of √s = 8TeV proton-proton collision data delivered by the Large Hadron Collider and recorded with the ATLAS detector. Observations are consistent with the Standard Model expectations and limits are set in R-parity-conserving phenomenological Minimal Supersymmetric Standard Models and in simplified supersymmetric models, significantly extending previous results. For simplified supersymmetric models of direct chargino (˜χ±1 ) and next-to-lightest neutralino (˜χ02) production with decays to lightest neutralino(˜χ01) via either all three generations of sleptons, staus only, gauge bosons, or Higgs bosons, ˜χ±1 and ˜χ02 masses are excluded up to 700GeV, 380GeV, 345GeV, or 148GeV respectively, for a massless ˜χ01.