Search for nonpointing and delayed photons in the diphoton and missing transverse momentum final state in 8 TeV pp collisions at the LHC using the ATLAS detector

A search has been performed, using the full 20.3  fb −1 data sample of 8 TeV proton-proton collisions collected in 2012 with the ATLAS detector at the LHC, for photons originating from a displaced vertex due to the decay of a neutral long-lived particle into a photon and an invisible particle. The analysis investigates the diphoton plus missing transverse momentum final state, and is therefore most sensitive to pair production of long-lived particles. The analysis technique exploits the capabilities of the ATLAS electromagnetic calorimeter to make precise measurements of the flight direction, as well as the time of flight, of photons. No excess is observed over the Standard Model predictions for background. Exclusion limits are set within the context of gauge mediated supersymmetry breaking models, with the lightest neutralino being the next-to-lightest supersymmetric particle and decaying into a photon and gravitino with a lifetime in the range from 250 ps to about 100 ns.

Electron and photon energy calibration with the ATLAS detector using LHC Run 1 data

This paper presents the electron and photon energy calibration achieved with the ATLAS detector using about 25 fb−1 of LHC proton–proton collision data taken at centre-of-mass energies of √s = 7 and 8 TeV. The reconstruction of electron and photon energies is optimised using multivariate algorithms. The response of the calorimeter layers is equalised in data and simulation, and the longitudinal profile of the electromagnetic showers is exploited to estimate the passive material in front of the calorimeter and reoptimise the detector simulation. After all corrections, the Z resonance is used to set the absolute energy scale. For electrons from Z decays, the achieved calibration is typically accurate to 0.05% in most of the detector acceptance, rising to 0.2% in regions with large amounts of passive material. The remaining inaccuracy is less than 0.2–1% for electrons with a transverse energy of 10 GeV, and is on average 0.3% for photons. The detector resolution is determined with a relative inaccuracy of less than 10% for electrons and photons up to 60 GeV transverse energy, rising to 40% for transverse energies above 500 GeV.

Measurement of the muon reconstruction performance of the ATLAS detector using 2011 and 2012 LHC proton-proton collision data

This paper presents the performance of the ATLAS muon reconstruction during the LHC run with pp collisions at √s = 7–8 TeV in 2011–2012, focusing mainly on data collected in 2012. Measurements of the reconstruction efficiency and of the momentum scale and resolution, based on large reference samples of J/ψ → μμ, Z → μμ and ϒ → μμ decays, are presented and compared to Monte Carlo simulations. Corrections to the simulation, to be used in physics analysis, are provided. Over most of the covered phase space (muon |η| < 2.7 and 5 ≲ pT ≲ 100 GeV) the efficiency is above 99% and is measured with per-mille precision. The momentum resolution ranges from 1.7% at central rapidity and for transverse momentum pT ≅ 10 GeV, to 4% at large rapidity and pT ≅ 100 GeV. The momentum scale is known with an uncertainty of 0.05% to 0.2% depending on rapidity. A method for the recovery of final state radiation from the muons is also presented.

Electron reconstruction and identification efficiency measurements with the ATLAS detector using the 2011 LHC proton-proton collision data

Many of the interesting physics processes to be measured at the LHC have a signature involving one or more isolated electrons. The electron reconstruction and identification efficiencies of the ATLAS detector at the LHC have been evaluated using proton–proton collision data collected in 2011 at √s = 7 TeV and corresponding to an integrated luminosity of 4.7 fb−1. Tag-and-probe methods using events with leptonic decays of W and Z bosons and J/ψ mesons are employed to benchmark these performance parameters. The combination of all measurements results in identification efficiencies determined with an accuracy at the few per mil level for electron transverse energy greater than 30 GeV.

Straw Performance Studies and Quality Assurance for the ATLAS Transition Radiation Tracker

The Transition Radiation Tracker (TRT) of the ATLAS experiment at the LHC is part of the Inner Detector. It is designed as a robust and powerful gaseous detector that provides tracking through individual drift-tubes (straws) as well as particle identification via transition radiation (TR) detection. The straw tubes are operated with Xe-CO2-O2 70/27/3, a gas that combines the advantages of efficient TR absorption, a short electron drift time and minimum ageing effects. The modules of the barrel part of the TRT were built in the United States while the end-cap wheels are assembled at two Russian institutes. Acceptance tests of barrel modules and end-cap wheels are performed at CERN before assembly and integration with the Semiconductor Tracker (SCT) and the Pixel Detector. This thesis first describes simulations the TRT straw tube. The argon-based acceptance gas mixture as well as two xenon-based operating gases are examined for its properties. Drift velocities and Townsend coefficients are computed with the help of the program Magboltz and used to study electron drift and multiplication in the straw using the software Garfield. The inclusion of Penning transfers in the avalanche process leads to remarkable agreements with experimental data. A high level of cleanliness in the TRT s acceptance test gas system is indispensable. To monitor gas purity, a small straw tube detector has been constructed and extensively used to study the ageing behaviour of the straw tube in Ar-CO2. A variety of ageing tests are presented and discussed. Acceptance tests for the TRT survey dimensions, wire tension, gas-tightness, high-voltage stability and gas gain uniformity along each individual straw. The thesis gives details on acceptance criteria and measurement methods in the case of the end-cap wheels. Special focus is put on wire tension and straw straightness. The effect of geometrically deformed straws on gas gain and energy resolution is examined in an experimental setup and compared to simulation studies. An overview of the most important results from the end-cap wheels tested up to this point is presented.

Expected Performance of the ATLAS Experiment - Detector, Trigger and Physics

A detailed study is presented of the expected performance of the ATLAS detector. The reconstruction of tracks, leptons, photons, missing energy and jets is investigated, together with the performance of b-tagging and the trigger. The physics potential for a variety of interesting physics processes, within the Standard Model and beyond, is examined. The study comprises a series of notes based on simulations of the detector and physics processes, with particular emphasis given to the data expected from the first years of operation of the LHC at CERN.

LHC constraints on light neutralino dark matter in the MSSM

Light neutralino dark matter can be achieved in the Minimal Supersymmetric Standard Model if staus are rather light, with mass around 100 GeV. We perform a detailed analysis of the relevant supersymmetric parameter space, including also the possibility of light selectons and smuons, and of light higgsino- or wino-like charginos. In addition to the latest limits from direct and indirect detection of dark matter, ATLAS and CMS constraints on electroweak-inos and on sleptons are taken into account using a ``simplified models'' framework. Measurements of the properties of the Higgs boson at 125 GeV, which constrain amongst others the invisible decay of the Higgs boson into a pair of neutralinos, are also implemented in the analysis. We show that viable neutralino dark matter can be achieved for masses as low as 15 GeV. In this case, light charginos close to the LEP bound are required in addition to light right-chiral staus. Significant deviations are observed in the couplings of the 125 GeV Higgs boson. These constitute a promising way to probe the light neutralino dark matter scenario in the next run of the LHC. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Probing the flavor violating scalar top quark signal at the LHC

The Large Hadron Collider (LHC) has completed its run at 8 TeV with the experiments ATLAS and CMS having collected about 25 fb(-1) of data each. Discovery of a light Higgs boson coupled with lack of evidence for supersymmetry at the LHC so far, has motivated studies of supersymmetry in the context of naturalness with the principal focus being the third generation squarks. In this work, we analyze the prospects of the flavor violating decay mode (t) over tilde (1) -> c chi(0)(1) at 8 and 13 TeV center-of-mass energy at the LHC. This channel is also relevant in the dark matter context for the stop-coannihilation scenario, where the relic density depends on the mass difference between the lighter stop quark ((t) over tilde (1)) and the lightest neutralino (chi(0)(1)) states. This channel is extremely challenging to probe, especially for situations when the mass difference between the lighter stop quark and the lightest neutralino is small. Using certain kinematical properties of signal events we find that the level of backgrounds can be reduced substantially. We find that the prospect for this channel is limited due to the low production cross section for top squarks and limited luminosity at 8 TeV, but at the 13 TeV LHC with 100 fb(-1) luminosity, it is possible to probe top squarks with masses up to similar to 450 GeV. We also discuss how the sensitivity could be significantly improved by tagging charm jets.

Alternative search strategies for a BSM resonance fitting the ATLAS diboson excess

We study an s-channel resonance R as a viable candidate to fit the diboson excess reported by ATLAS. We compute the contribution of the similar to 2 TeV resonance R to semileptonic and leptonic final states at the 13 TeV LHC. To explain the absence of an excess in the semileptonic channel, we explore the possibility where the particle R decays to additional light scalars X, X or X, Y. A modified analysis strategy has been proposed to study the three-particle final state of the resonance decay and to identify decay channels of X. Associated production of R with gauge bosons has been studied in detail to identify the production mechanism of R. We construct comprehensive categories for vector and scalar beyond-standard-model particles which may play the role of particles R, X, Y and find alternate channels to fix the new couplings and search for these particles.

Étude de la réponse du détecteur ATLAS-MPX aux neutrons rapides

Les détecteurs ATLAS-MPX sont des détecteurs Medipix2-USB recouverts de convertisseurs de fluorure de lithium et de polyéthylène pour augmenter l’efficacité de détection des neutrons lents et des neutrons rapides respectivement. Un réseau de quinze détecteurs ATLAS-MPX a été mis en opération dans le détecteur ATLAS au LHC du CERN. Deux détecteurs ATLAS-MPX de référence ont été exposés à des sources de neutrons rapides 252 Cf et 241 AmBe ainsi qu’aux neutrons rapides produits par la réaction 7Li(p, xn) pour l’étude de la réponse du détecteur à ces neutrons. Les neutrons rapides sont principalement détectés à partir des protons de recul des collisions élastiques entre les neutrons et l’hydrogène dans le polyéthylène. Des réactions nucléaires entre les neutrons et le silicium produisent des particules-α. Une étude de l’efficacité de reconnaissance des traces des protons et des particules-α dans le détecteur Medipix2-USB a été faite en fonction de l’énergie cinétique incidente et de l’angle d’incidence. L’efficacité de détection des neutrons rapides a été évaluée à deux seuils d’énergie (8 keV et 230 keV) dans les détecteurs ATLAS-MPX. L’efficacité de détection des neutrons rapides dans la région du détecteur couverte avec le polyéthylène augmente en fonction de l’énergie des neutrons : (0.0346 ± 0.0004) %, (0.0862 ± 0.0018) % et (0.1044 ± 0.0026) % pour des neutrons rapides de 2.13 MeV, 4.08 MeV et 27 MeV respectivement. L’étude pour déterminer l’énergie des neutrons permet donc d’estimer le flux des neutrons quand le détecteur ATLAS-MPX est dans un champ de radiation inconnu comme c’est le cas dans le détecteur ATLAS au LHC.

Étude des collisions proton-proton dans l’expérience ATLAS avec les détecteurs ATLAS-MPX

Les seize détecteurs MPX constituant le réseau ATLAS-MPX ont été placés à différentes positions dans le détecteur ATLAS et sa averne au CERN dans le but de mesurer en emps réel les champs de radiation produits ar des particules primaires (protons des faisceaux) et des particules secondaires (kaons, pions, g, protons) issues des collisions proton-proton. Des films de polyéthylène (PE) et de fluorure de lithium (6LiF) recouvrent les détecteurs afin d’augmenter leur sensibilité aux neutrons produits par les particules primaires et secondaires interagissant avec les matériaux présents dans l’environnement d’ATLAS. La reconnaissance des traces laissées par les particules dans un détecteur ATLAS-MPX se fait à partir des algorithmes du logiciel MAFalda (“Medipix Analysis Framework”) basé sur les librairies et le logiciel d’analyse de données ROOT. Une étude sur le taux d’identifications erronées et le chevauchement d’amas a été faite en reconstruisant les activités des sources 106Ru et 137Cs. L’efficacité de détection des neutrons rapides a été mesurée à l’aide des sources 252Cf et 241AmBe (neutrons d’énergie moyenne de 2.13 et 4.08 MeV respectivement). La moyenne des efficacités de détection mesurées pour les neutrons produits par les sources 252C f et 241AmBe a été calculée pour les convertisseurs 6LiF et PE et donnent (0.8580 ± 0.1490)% et (0.0254 ± 0.0031)% pour LiF et (0.0510 ± 0.0061)% et (0.0591 ± 0.0063)% pour PE à bas et à haut seuil d’énergie respectivement. Une simulation du calcul de l’efficacité de détection des neutrons dans le détecteur MPX a été réalisée avec le logiciel GEANT4. Des données MPX correspondant aux collisions proton-proton à 2.4 TeV et à 7 TeV dans le centre de masse ont été analysées. Les flux détectés d’électrons et de photons sont particulièrement élevés dans les détecteurs MPX01 et MPX14 car ils sont plus près du point de collision. Des flux de neutrons ont été estimés en utilisant les efficacités de détection mesurées. Une corrélation avec la luminosité du LHC a été établie et on prédit que pour les collisions à 14 TeV dans le centre de masse et avec une luminosité de 10^34 cm-1*s-1 il y aura environ 5.1x10^8 ± 1.5x10^7 et 1.6x10^9 ± 6.3x10^7 particules détectées par les détecteurs MPX01 et MPX14 respectivement.

Détection des événements de "Minimum Bias" et neutrons avec les détecteurs ATLAS-MPX par simulations

Un réseau de seize détecteurs ATLAS-MPX a été mis en opération dans le détecteur ATLAS au LHC du CERN. Les détecteurs ATLAS-MPX sont sensibles au champ mixte de radiation de photons et d’électrons dans la caverne d’ATLAS et sont recouverts de convertisseurs de fluorure de lithium et de polyéthylène pour augmenter l’efficacité de détection des neutrons thermiques et des neutrons rapides respectivement. Les collisions à haute énergie sont dominées par des interactions partoniques avec petit moment transverse pT , associés à des événements de “minimum bias”. Dans notre cas la collision proton-proton se produit avec une énergie de 7 TeV dans le centre de masse avec une luminosité de 10³⁴cm⁻²s⁻¹ telle que fixée dans les simulations. On utilise la simulation des événements de "minimum bias" générés par PYTHIA en utilisant le cadre Athena qui fait une simulation GEANT4 complète du détecteur ATLAS pour mesurer le nombre de photons, d’électrons, des muons qui peuvent atteindre les détecteurs ATLASMPX dont les positions de chaque détecteur sont incluses dans les algorithmes d’Athena. Nous mesurons les flux de neutrons thermiques et rapides, générés par GCALOR, dans les régions de fluorure de lithium et de polyéthylène respectivement. Les résultats des événements de “minimum bias” et les flux de neutrons thermiques et rapides obtenus des simulations sont comparés aux mesures réelles des détecteurs ATLAS-MPX.

Mesure des champs de radiation dans le détecteur ATLAS et sa caverne avec les détecteurs au silicium à pixels ATLAS-MPX

Les collisions proton-proton produites par le LHC imposent un environnement radiatif hostile au détecteur ATLAS. Afin de quantifier les effets de cet environnement sur la performance du détecteur et la sécurité du personnel, plusieurs simulations Monte Carlo ont été réalisées. Toutefois, la mesure directe est indispensable pour suivre les taux de radiation dans ATLAS et aussi pour vérifier les prédictions des simulations. À cette fin, seize détecteurs ATLAS-MPX ont été installés à différents endroits dans les zones expérimentale et technique d'ATLAS. Ils sont composés d'un détecteur au silicium à pixels appelé MPX dont la surface active est partiellement recouverte de convertisseurs de neutrons thermiques, lents et rapides. Les détecteurs ATLAS-MPX mesurent en temps réel les champs de radiation en enregistrant les traces des particules détectées sous forme d'images matricielles. L'analyse des images acquises permet d'identifier les types des particules détectées à partir des formes de leurs traces. Dans ce but, un logiciel de reconnaissance de formes appelé MAFalda a été conçu. Étant donné que les traces des particules fortement ionisantes sont influencées par le partage de charge entre pixels adjacents, un modèle semi-empirique décrivant cet effet a été développé. Grâce à ce modèle, l'énergie des particules fortement ionisantes peut être estimée à partir de la taille de leurs traces. Les convertisseurs de neutrons qui couvrent chaque détecteur ATLAS-MPX forment six régions différentes. L'efficacité de chaque région à détecter les neutrons thermiques, lents et rapides a été déterminée par des mesures d'étalonnage avec des sources connues. L'étude de la réponse des détecteurs ATLAS-MPX à la radiation produite par les collisions frontales de protons à 7TeV dans le centre de masse a montré que le nombre de traces enregistrées est proportionnel à la luminosité du LHC. Ce résultat permet d'utiliser les détecteurs ATLAS-MPX comme moniteurs de luminosité. La méthode proposée pour mesurer et étalonner la luminosité absolue avec ces détecteurs est celle de van der Meer qui est basée sur les paramètres des faisceaux du LHC. Vu la corrélation entre la réponse des détecteurs ATLAS-MPX et la luminosité, les taux de radiation mesurés sont exprimés en termes de fluences de différents types de particules par unité de luminosité intégrée. Un écart significatif a été obtenu en comparant ces fluences avec celles prédites par GCALOR qui est l'une des simulations Monte Carlo du détecteur ATLAS. Par ailleurs, les mesures effectuées après l'arrêt des collisions proton-proton ont montré que les détecteurs ATLAS-MPX permettent d'observer la désintégration des isotopes radioactifs générés au cours des collisions. L'activation résiduelle des matériaux d'ATLAS peut être mesurée avec ces détecteurs grâce à un étalonnage en équivalent de dose ambiant.

Is the LHC observing the pseudoscalar state of a two-Higgs-doublet model?

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Light-by-light scattering with intact protons at the LHC: from standard model to new physics

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)