Search for same-sign top quark pairs with the ATLAS detector at the LHC

In this thesis, a search for same-sign top quark pairs produced according to the Standard Model Effective Field Theory (SMEFT) is presented. The analysis is carried out within the ATLAS Collaboration using collision data at a center-of-mass energy of $\sqrt{s} = 13$ TeV, collected by the ATLAS detector during the Run 2 of the Large Hadron Collider, corresponding to an integrated luminosity of $140$ fb$^{-1}$. Three SMEFT operators are considered in the analysis, namely $\mathcal{O}_{RR}$, $\mathcal{O}_{LR}^{(1)}$, and $\mathcal{O}_{LR}^{(8)}$. The signal associated to same-sign top pairs is searched in the dilepton channel, with the top quarks decaying via $t \longrightarrow W^+ b \longrightarrow \ell^+ \nu b$, leading to a final state signature composed of a pair of high-transverse momentum same-sign leptons and $b$-jets. Deep Neural Networks are employed in the analysis to enhance sensitivity to the different SMEFT operators and to perform signal-background discrimination. This is the first result of the ATLAS Collaboration concerning the search for same-sign top quark pairs production in proton-proton collision data at $\sqrt{s} = 13$ TeV, in the framework of the SMEFT.

Search for heavy neutrinos in $D_s$ decays with the CMS detector at LHC

This thesis presents a search for a sterile right-handed neutrino $N$ produced in $D_s$ meson decays, using proton-proton collisions collected by the CMS experiment at the LHC. The data set used for the analysis, the B-Parking data set, corresponds to an integrated luminosity of $41.7\,\textrm{fb}^{-1}$ and was collected during the 2018 data-taking period. The analysis is targeting the $D_s^+\rightarrow N(\rightarrow\mu^{\pm}\pi^{\mp})\mu^{+}$ decays, where the final state muons can have the same electric charge allowing for a lepton flavor violating decay. To separate signal from background, a cut-based analysis is optimized using requirements on the sterile neutrino vertex displacement, muon and pion impact parameter, and impact parameter significance. The expected limit on the active-sterile neutrino mixing matrix parameter $|V_{\mu}|^2$ is extracted by performing a fit of the $\mu\pi$ invariant mass spectrum for two sterile neutrino mass hypotheses, 1.0 and 1.5 GeV. The analysis is currently blinded, following the internal CMS review process. The expected limit ranges between approximately $10^{-4}$ for a 1.0 GeV neutrino to $7\times10^{-5}$ for a 1.5 GeV neutrino. This is competitive with the best existing results from collider experiments over the same mass range.

The interplay of multiplicity and effective energy for (multi) strange hadron production in pp collisions at the LHC

The enhanced production of strange hadrons in heavy-ion collisions relative to that in minimum-bias pp collisions is historically considered one of the first signatures of the formation of a deconfined quark-gluon plasma. At the LHC, the ALICE experiment observed that the ratio of strange to non-strange hadron yields increases with the charged-particle multiplicity at midrapidity, starting from pp collisions and evolving smoothly across interaction systems and energies, ultimately reaching Pb-Pb collisions. The understanding of the origin of this effect in small systems remains an open question. This thesis presents a comprehensive study of the production of $K^{0}_{S}$, $\Lambda$ ($\bar{\Lambda}$) and $\Xi^{-}$ ($\bar{\Xi}^{+}$) strange hadrons in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV collected in LHC Run 2 with ALICE. A novel approach is exploited, introducing, for the first time, the concept of effective energy in the study of strangeness production in hadronic collisions at the LHC. In this work, the ALICE Zero Degree Calorimeters are used to measure the energy carried by forward emitted baryons in pp collisions, which reduces the effective energy available for particle production with respect to the nominal centre-of-mass energy. The results presented in this thesis provide new insights into the interplay, for strangeness production, between the initial stages of the collision and the produced final hadronic state. Finally, the first Run 3 results on the production of $\Omega^{\pm}$ ($\bar{\Omega}^{+}$) multi-strange baryons are presented, measured in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV and 900 GeV, the highest and lowest collision energies reached so far at the LHC. This thesis also presents the development and validation of the ALICE Time-Of-Flight (TOF) data quality monitoring system for LHC Run 3. This work was fundamental to assess the performance of the TOF detector during the commissioning phase, in the Long Shutdown 2, and during the data taking period.

Machine learning techniques for heavy-flavour baryon production measurements at the LHC

Il quark-gluon plasma (QGP) è uno stato della materia previsto dalla cromodinamica quantistica. L’esperimento ALICE a LHC ha tra i suoi obbiettivi principali lo studio della materia fortemente interagente e le proprietà del QGP attraverso collisioni di ioni pesanti ultra-relativistici. Per un’esaustiva comprensione di tali proprietà, le stesse misure effettuate su sistemi collidenti più piccoli (collisioni protone-protone e protone-ione) sono necessarie come riferimento. Le recenti analisi dei dati raccolti ad ALICE hanno mostrato che la nostra comprensione dei meccanismi di adronizzazione di quark pesanti non è completa, perchè i dati ottenuti in collisioni pp e p-Pb non sono riproducibili utilizzando modelli basati sui risultati ottenuti con collisioni e+e− ed ep. Per questo motivo, nuovi modelli teorici e fenomenologici, in grado di riprodurre le misure sperimentali, sono stati proposti. Gli errori associati a queste nuove misure sperimentali al momento non permettono di verificare in maniera chiara la veridicità dei diversi modelli proposti. Nei prossimi anni sarà quindi fondamentale aumentare la precisione di tali misure sperimentali; d’altra parte, stimare il numero delle diverse specie di particelle prodotte in una collisione può essere estremamente complicato. In questa tesi, il numero di barioni Lc prodotti in un campione di dati è stato ottenuto utilizzando delle tecniche di machine learning, in grado di apprendere pattern e imparare a distinguere candidate di segnale da quelle di fondo. Si sono inoltre confrontate tre diverse implementazioni di un algoritmo di Boosted Decision Trees (BDT) e si è utilizzata quella più performante per ricostruire il barione Lc in collisioni pp raccolte dall’esperimento ALICE.

Diffusion model of the hollow electron lens for HL-LHC

In the upcoming years, various upgrades and improvements are planned for the CERN Large Hadron Collider (LHC) and represent the mandate of the High-Luminosity project. The upgrade will allow for a total stored beam energy of about 700 MJ, which will need, among others, an extremely efficient collimation system. This will be achieved with the addition of a hollow electron lens (HEL) system to help control the beam-halo depletion and mitigate the effects of fast beam losses. In this master thesis, we present a diffusion model of the HEL for HL-LHC. In particular, we explore several scenarios to use such a device, focusing on the halo depletion efficiency given by different noise regimes.

Caratterizzazione di sensori Low Gain Avalanche Detector (LGAD) per il sistema di tempo di volo dell'esperimento ALICE 3 a LHC

Il lavoro presentato in questa tesi analizza il comportamento elettrico di prototipi di sensori Low-Gain Avalanche Detector (LGAD) ultrasottili. L'analisi consiste in una verifica sperimentale delle caratteristiche attese di questi sensori, che sono stati selezionati come possibili candidati per la realizzazione del sistema di Time-Of-Flight (TOF) nell'esperimento ALICE 3. Concepito come evoluzione dell'esperimento ALICE attualmente in funzione al CERN, ALICE 3 rappresenta l'archetipo di una nuova generazione di esperimenti nella fisica delle collisioni di ioni pesanti, ed è previsto iniziare la propria attività di presa dati per LHC Run 5 nel 2032. Sono stati presi in considerazione 22 campioni di LGAD, di cui 11 provenienti dal wafer di produzione 5 (spessore 25 um) e gli altri 11 dal wafer 6 (spessore 35 um). In entrambi i casi, di questi 11 sensori, 6 sono campioni in configurazione LGAD-PIN e 5 sono matrici. Tutti e 22 i campioni sono stati sottoposti a misure di corrente in funzione del voltaggio, mentre solo quelli appartenenti al wafer 5 anche a misure di capacità. L'obiettivo è quello di misurare la caratteristica IV e CV per ognuno dei campioni e da queste estrarre, rispettivamente, tensione di breakdown e profilo di doping.

Multivariate analysis to discriminate top quark pair production channels at LHC

Il quark top è una delle particelle fondamentali del Modello Standard, ed è osservato a LHC nelle collisioni a più elevata energia. In particolare, la coppia top-antitop (tt̄) è prodotta tramite interazione forte da eventi gluone-gluone (gg) oppure collisioni di quark e antiquark (qq̄). I diversi meccanismi di produzione portano ad avere coppie con proprietà diverse: un esempio è lo stato di spin di tt̄, che vicino alla soglia di produzione è maggiormente correlato nel caso di un evento gg. Uno studio che voglia misurare l’entità di tali correlazioni risulta quindi essere significativamente facilitato da un metodo di discriminazione delle coppie risultanti sulla base del loro canale di produzione. Il lavoro qui presentato ha quindi lo scopo di ottenere uno strumento per effettuare tale differenziazione, attraverso l’uso di tecniche di analisi multivariata. Tali metodi sono spesso applicati per separare un segnale da un fondo che ostacola l’analisi, in questo caso rispettivamente gli eventi gg e qq̄. Si dice che si ha a che fare con un problema di classificazione. Si è quindi studiata la prestazione di diversi algoritmi di analisi, prendendo in esame le distribuzioni di numerose variabili associate al processo di produzione di coppie tt̄. Si è poi selezionato il migliore in base all’efficienza di riconoscimento degli eventi di segnale e alla reiezione degli eventi di fondo. Per questo elaborato l’algoritmo più performante è il Boosted Decision Trees, che permette di ottenere da un campione con purezza iniziale 0.81 una purezza finale di 0.92, al costo di un’efficienza ridotta a 0.74.

Tecniche di apprendimento automatico per la ricerca di eventi top-top con l’esperimento ATLAS a LHC

Il Modello Standard è attualmente la teoria che meglio spiega il comportamento della fisica subnucleare, includendo la definizione delle particelle e di tre delle quattro forze fondamentali presenti in natura; risulta però una teoria incompleta sulle cui integrazioni i fisici stanno lavorando in diverse direzioni: uno degli approcci più promettenti nella ricerca di nuova fisica risulta essere quello delle teorie di campo efficaci. Il vertice di interazione del processo di produzione di coppie di quark top dello stesso segno a partire da protoni è fortemente soppresso nel Modello Standard e deve quindi essere interpretato con le teorie di campo efficaci. Il presente elaborato si concentra su questo nuovo approccio per la ricerca di quark top same-sign e si focalizza sull’utilizzo di una rete neurale per discriminare il segnale dal fondo. L’obiettivo è capire se le prestazioni di quest’ultima cambino quando le vengono fornite in ingresso variabili di diversi livelli di ricostruzione. Utilizzando una rete neurale ottimizzata per la discriminazione del segnale dal fondo, le si sono presentati tre set di variabili per l’allenamento: uno di alto livello, il secondo strettamente di basso livello, il terzo copia del secondo con aggiunta delle due variabili principali di b-tagging. Si è dimostrato che la performance della rete in termini di classificazione segnale-fondo rimane pressoché inalterata: la curva ROC presenta aree sottostanti le curve pressoché identiche. Si è notato inoltre che nel caso del set di variabili di basso livello, la rete neurale classifica come input più importanti gli angoli azimutali dei leptoni nonostante questi abbiano distribuzioni identiche tra segnale e fondo: ciò avviene in quanto la rete neurale è in grado di sfruttare le correlazioni tra le variabili come caratteristica discriminante. Questo studio preliminare pone le basi per l’ottimizzazione di un approccio multivariato nella ricerca di eventi con due top dello stesso segno prodotti a LHC.

Korteveg-de Vries solitons in a cold quark-gluon plasma

The relativistic heavy ion program developed at RHIC and now at LHC motivated a deeper study of the properties of the quark-gluon plasma (QGP) and, in particular, the study of perturbations in this kind of plasma. We are interested on the time evolution of perturbations in the baryon and energy densities. If a localized pulse in baryon density could propagate throughout the QGP for long distances preserving its shape and without loosing localization, this could have interesting consequences for relativistic heavy ion physics and for astrophysics. A mathematical way to prove that this can happen is to derive (under certain conditions) from the hydrodynamical equations of the QGP a Korteveg-de Vries (KdV) equation. The solution of this equation describes the propagation of a KdV soliton. The derivation of the KdV equation depends crucially on the equation of state (EOS) of the QGP. The use of the simple MIT bag model EOS does not lead to KdV solitons. Recently we have developed an EOS for the QGP which includes both perturbative and nonperturbative corrections to the MIT one and is still simple enough to allow for analytical manipulations. With this EOS we were able to derive a KdV equation for the cold QGP.

Probing neutrino oscillations in supersymmetric models at the Large Hadron Collider

The lightest supersymmetric particle may decay with branching ratios that correlate with neutrino oscillation parameters. In this case the CERN Large Hadron Collider (LHC) has the potential to probe the atmospheric neutrino mixing angle with sensitivity competitive to its low-energy determination by underground experiments. Under realistic detection assumptions, we identify the necessary conditions for the experiments at CERN's LHC to probe the simplest scenario for neutrino masses induced by minimal supergravity with bilinear R parity violation.

Finding the Higgs boson through supersymmetry

The study of displaced vertices containing two b-jets may provide a double discovery at the Large Hadron Collider (LHC): we show how it may not only reveal evidence for supersymmetry, but also provide a way to uncover the Higgs boson necessary in the formulation of the electroweak theory in a large region of the parameter space. We quantify this explicitly using the simplest minimal supergravity model with bilinear breaking of R-parity, which accounts for the observed pattern of neutrino masses and mixings seen in neutrino oscillation experiments.

Searching supersymmetry at the LHCb with displaced vertices

Supersymmetric theories with bilinear R-parity violation can give rise to the observed neutrino masses and mixings. One important feature of such models is that the lightest supersymmetric particle might have a sufficiently large lifetime to produce detached vertices. Working in the framework of supergravity models, we analyze the potential of the LHCb experiment to search for supersymmetric models exhibiting bilinear R-parity violation. We show that the LHCb experiment can probe a large fraction of the m(0)circle times m(1/2), being able to explore gluino masses up to 1.3 TeV. The LHCb discover potential for these kinds of models is similar to the ATLAS and CMS ones in the low luminosity phase of operation of the LHC.

Quirky collider signals of folded supersymmetry

We investigate the collider signals associated with scalar quirks (squirks) in folded supersymmetric models. As opposed to regular superpartners in supersymmetric models these particles are uncolored, but are instead charged under a new confining group, leading to radically different collider signals. Because of the new strong dynamics, squirks that are pair produced do not hadronize separately, but rather form a highly excited bound state. The excited squirkonium loses energy to radiation before annihilating back into standard model particles. We calculate the branching fractions into various channels for this process, which is prompt on collider time scales. The most promising annihilation channel for discovery is W+photon which dominates for squirkonium near its ground state. We demonstrate the feasibility of the LHC search, showing that the mass peak is visible above the SM continuum background and estimate the discovery reach.

Long life of Gauss-Bonnet corrected black holes

Dictated by the string theory and various higher dimensional scenarios, black holes in D > 4-dimensional space-times must have higher curvature corrections. The first and dominant term is quadratic in curvature, and called the Gauss-Bonnet (GB) term. We shall show that although the Gauss-Bonnet correction changes black hole's geometry only softly, the emission of gravitons is suppressed by many orders even at quite small values of the GB coupling. The huge suppression of the graviton emission is due to the multiplication of the two effects: the quick cooling of the black hole when one turns on the GB coupling and the exponential decreasing of the gray-body factor of the tensor type of gravitons at small and moderate energies. At higher D the tensor gravitons emission is dominant, so that the overall lifetime of black holes with Gauss-Bonnet corrections is many orders larger than was expected. This effect should be relevant for the future experiments at the Large Hadron Collider (LHC).

Leptonic CP violation

Several topics on CP violation in the lepton sector are reviewed. A few theoretical aspects concerning neutrino masses, leptonic mixing, and CP violation will be covered, with special emphasis on seesaw models. A discussion is provided on observable effects which are manifest in the presence of CP violation, particularly, in neutrino oscillations and neutrinoless double beta decay processes, and their possible implications in collider experiments such as the LHC. The role that leptonic CP violation may have played in the generation of the baryon asymmetry of the Universe through the mechanism of leptogenesis is also discussed.