Measurement of the ZZ production cross section and limits to the anomalous triple gauge couplings with forward electrons with the ATLAS detector

Measurements of the self coupling between bosons are important to test the electroweak sector of the Standard Model (SM). The production of pairs of Z bosons through the s-channel is forbidden in the SM. The presence of physics, beyond the SM, could lead to a deviation of the expected production cross section of pairs of Z bosons due to the so called anomalous Triple Gauge Couplings (aTGC). Proton-proton data collisions at the Large Hadron Collider (LHC) recorded by the ATLAS detector at a center of mass energy of 8 TeV were analyzed corresponding to an integrated luminosity of 20.3 fb-1. Pairs of Z bosons decaying into two electron-positron pairs are searched for in the data sample. The effect of the inclusion of detector regions corresponding to high values of the pseudorapidity was studied to enlarge the phase space available for the measurement of the ZZ production. The number of ZZ candidates was determined and the ZZ production cross section was measured to be: rn7.3±1.0(Stat.)±0.4(Sys.)±0.2(lumi.)pb, which is consistent with the SM expectation value of 7.2±0.3pb. Limits on the aTGCs were derived using the observed yield, which are twice as stringent as previous limits obtained by ATLAS at a center of mass energy of 7 TeV.

Search for Dark Matter in events with a highly energetic jet and missing transverse momentum in proton-proton collisions at root out s = 8 TeV with the ATLAS detector

The experiments at the Large Hadron Collider at the European Centre for Particle Physics, CERN, rely on efficient and reliable trigger systems for singling out interesting events. This thesis documents two online timing monitoring tools for the central trigger of the ATLAS experiment as well as the adaption of the central trigger simulation as part of the upgrade for the second LHC run. Moreover, a search for candidates for so-called Dark Matter, for which there is ample cosmological evidence, is presented. This search for generic weakly interacting massive particles (WIMPs) is based on the roughly 20/fb of proton-proton collisions at a centre-of-mass-energy of sqrt{s}=8 TeV recorded with the ATLAS detector in 2012. The considered signature are events with a highly energetic jet and large missing transverse energy. No significant deviation from the theory prediction is observed. Exclusion limits are derived on parameters of different signal models and compared to the results of other experiments. Finally, the results of a simulation study on the potential of the analysis at sqrt{s}=14 TeV are presented.

Study of the performances of the H->ZZ*->4l analysis with the CMS phase-II upgrade

The performances of the H → ZZ* → 4l analysis are studied in the context of the High Luminosity upgrade of the LHC collider, with the CMS detector. The high luminosity (up to L = 5 × 10^34 cm−2s−1) of the accelerator poses very challenging experimental con- ditions. In particular, the number of overlapping events per bunch crossing will increase to 140. To cope with this difficult environment, the CMS detector will be upgraded in two stages: Phase-I and Phase-II. The tools used in the analysis are the CMS Full Simulation and the fast parametrized Delphes simulation. A validation of Delphes with respect to the Full Simulation is performed, using reference Phase-I detector samples. Delphes is then used to simulate the Phase-II detector response. The Phase-II configuration is compared with the Phase-I detector and the same Phase-I detector affected by aging processes, both modeled with the Full Simulation framework. Conclusions on these three scenarios are derived: the degradation in performances observed with the “aged” scenario shows that a major upgrade of the detector is mandatory. The specific upgrade configuration studied allows to keep the same performances as in Phase-I and, in the case of the four-muons channel, even to exceed them.

Impatto dell'invecchiamento delle camere DT di CMS sul canale H->4mu

Nei prossimi anni sia il Large Hadron Collider al CERN che i relativi esperimenti saranno oggetto di programmi di upgrade. Per i rivelatori una delle motivazioni dell’upgrade è l’invecchiamento che inevitabilmente ne peggiorerebbe le prestazioni in mancanza di interventi. Si sono studiati gli effetti dell’invecchiamentO del rivelatore di muoni a grande angolo di CMS sulla ricostruzione di eventi H→ 4μ: un canale centrale nel programma futuro di fisica delle alte energie e la cui identificazione è affidata essenzialmente al rivelatore di muoni. Benchè la ridondanza, insita nel progetto del rivelatore, riduca l’impatto dell’inefficienza locale sui risultati finali, si è osservato dalla simulazione che, mentre il 30% di hit persi si traduce nella perdita dell’8% di eventi H→4μ, il 30% di camere non funzionanti causa un perdita di eventi che può arrivare al 27%. Poichè la disattivazione di un’intera camera può essere l’effetto del danneggiamento dell’elettronica di lettura, la quale è attualmente situata nella caverna sperimentale ed esposta quindi alle radiazioni, questi risultati potrebbero indicare la necessità di prevedere nel programma di upgrade la sostituzione dell’elettronica con nuovi dispositivi da collocarsi fuori della caverna, al riparo dalle radiazioni.

Ricostruzione di segnali multipli del rivelatore a tempo di volo (ToF) di ALICE: confronto fra dati e Monte Carlo

La fisica delle collisioni ad alte energie è, ad oggi, uno dei campi di ricerca più interessante per la verifica di modelli teorici che spieghino la nascita e la formazione dell'universo in cui viviamo. In quest'ottica lavorano esperimenti presso i più importanti acceleratori di particelle: tra questi anche l'esperimento ALICE, presso il Large Hadron Collider LHC del CERN di Ginevra. Il suo scopo principale è quello di verificare e ampliare l'insieme delle prove sperimentali alla base sull'esistenza di un nuovo stato della materia: il Quark Gluon Plasma. La presenza della transizione di fase della materia adronica ordinaria a QGP era stata teorizzata da diversi studi termodinamici e da calcoli di QCD su reticolo: in particolare si prevedeva l'esistenza di uno stato della materia in cui i quark sono deconfinati. Il QGP è dunque un plasma colorato e densissimo di quark e gluoni, liberi di interagire tra loro. Queste condizioni sarebbero state quelle dell'universo primordiale, circa 1µs dopo il Big Bang: a seguito di una transizione di fase, si sarebbe poi formata tutta la materia adronica ordinaria. Per riprodurre le condizioni necessarie alla formazione del QGP occorrono collisioni ad energie ultrarelativistiche come quelle prodotte, negli ultimi anni, dall'acceleratore LHC. Uno dei principali rivelatori dedicati all'identificazione di particelle in ALICE è il sistema a tempo di volo TOF. Nonostante un attento processo di ottimizzazione della risoluzione delle sue componenti, persistono residui errori strumentali che limitano la qualità (già ottima) del segnale, tutt'oggi oggetto di studio. L'elaborato presentato in questa tesi è suddiviso in tre capitoli: nel primo ripercorriamo gli aspetti teorici del Modello Standard e del Quark Gluon Plasma. Nel secondo descriviamo la struttura di rivelazione di ALICE, analizzando il funzionamento delle singole componenti. Nel terzo, infine, verifichiamo le principali correzioni al TOF ad oggi note, confrontando i dati a nostra disposizione con delle simulazioni Monte Carlo: questo ci permette da un lato di approfondirne la conoscenza, dall'altro di cercarne di migliorare la descrizione del comportamento del rivelatore.

Un'infrastruttura distribuita per l'acquisizione e la visualizzazione interattiva dei dati dell'LHC

Questo progetto di tesi è lo sviluppo di un sistema distribuito di acquisizione e visualizzazione interattiva di dati. Tale sistema è utilizzato al CERN (Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare) al fine di raccogliere i dati relativi al funzionamento dell'LHC (Large Hadron Collider, infrastruttura ove avvengono la maggior parte degli esperimenti condotti al CERN) e renderli disponibili al pubblico in tempo reale tramite una dashboard web user-friendly. L'infrastruttura sviluppata è basata su di un prototipo progettato ed implementato al CERN nel 2013. Questo prototipo è nato perché, dato che negli ultimi anni il CERN è diventato sempre più popolare presso il grande pubblico, si è sentita la necessità di rendere disponibili in tempo reale, ad un numero sempre maggiore di utenti esterni allo staff tecnico-scientifico, i dati relativi agli esperimenti effettuati e all'andamento dell'LHC. Le problematiche da affrontare per realizzare ciò riguardano sia i produttori dei dati, ovvero i dispositivi dell'LHC, sia i consumatori degli stessi, ovvero i client che vogliono accedere ai dati. Da un lato, i dispositivi di cui vogliamo esporre i dati sono sistemi critici che non devono essere sovraccaricati di richieste, che risiedono in una rete protetta ad accesso limitato ed utilizzano protocolli di comunicazione e formati dati eterogenei. Dall'altro lato, è necessario che l'accesso ai dati da parte degli utenti possa avvenire tramite un'interfaccia web (o dashboard web) ricca, interattiva, ma contemporaneamente semplice e leggera, fruibile anche da dispositivi mobili. Il sistema da noi sviluppato apporta miglioramenti significativi rispetto alle soluzioni precedentemente proposte per affrontare i problemi suddetti. In particolare presenta un'interfaccia utente costituita da diversi widget configurabili, riuitilizzabili che permettono di esportare i dati sia presentati graficamente sia in formato "machine readable". Un'alta novità introdotta è l'architettura dell'infrastruttura da noi sviluppata. Essa, dato che è basata su Hazelcast, è un'infrastruttura distribuita modulare e scalabile orizzontalmente. È infatti possibile inserire o rimuovere agenti per interfacciarsi con i dispositivi dell'LHC e web server per interfacciarsi con gli utenti in modo del tutto trasparente al sistema. Oltre a queste nuove funzionalità e possbilità, il nostro sistema, come si può leggere nella trattazione, fornisce molteplici spunti per interessanti sviluppi futuri.

Controllo della misura della luminosità con il canale Z -> mu+mu- in ATLAS

La misura della sezione d'urto di processi fisici prodotti negli urti fra protoni ad LHC è uno dei settori più importanti della ricerca in corso, sia per verificare le predizioni del Modello Standard, che per la ricerca di nuova fisica. La precisione necessaria per distinguere fenomeni standard e non, richiede un ottimo controllo delle incertezze sistematiche. Fra le sorgenti di errore sistematico, di particolare importanza sono quelle sulla misura della luminosità, che rappresenta il fattore di normalizzazione necessario per la misura di qualsiasi sezione d'urto. Ogni esperimento che si proponga misure di questo genere è quindi dotato di monitor di luminosità dedicati. In questa tesi sono presentate le tecniche di misura della luminosità ad ATLAS utilizzando i rivelatori dedicati e le problematiche incontrate nel corso della presa dati del 2012, sia per quanto riguarda la loro procedura di calibrazione assoluta, che per la loro stabilità in funzione del tempo e linearità di risposta, e vengono fornite le incertezze sistematiche dipendenti dal loro confronto. Per meglio comprendere tali risultati, si è studiato il canale di produzione del bosone Z nelle interazioni protone-protone, all'energia nel centro di massa s = √8 TeV mediante il suo decadimento in due muoni, utilizzando i dati acquisiti nel corso del 2012 Nel primo capitolo vengono definiti i concetti di luminosità istantanea ed integrata, sia dalla prospettiva del collider che le fornisce, che dal punto di vista delle analisi di fisica, quale quella svolta in questa tesi. Nel secondo capitolo viene descritto l'insieme dei rivelatori utilizzati da ATLAS per la misura della luminosità e i risultati ottenuti mediante il loro confronto in termini di incertezze sistematiche. Nel terzo capitolo viene infine presentata la misura della sezione d'urto di produzione del bosone Z e l'utilizzo di tale misura per il controllo della stabilità nel tempo e della linearità della misura sperimentale della luminosità.

Measurement of the W+ W- cross section in sqrt(s) = 7 TeV pp collisions with ATLAS

This Letter presents a measurement of the W+ W- production cross section in sqrt(s) = 7  TeV pp collisions by the ATLAS experiment, using 34  pb(-1) of integrated luminosity produced by the Large Hadron Collider at CERN. Selecting events with two isolated leptons, each either an electron or a muon, 8 candidate events are observed with an expected background of 1.7 ± 0.6 events. The measured cross section is 41(-16)(+20)(stat) ± 5(syst)±1(lumi)  pb, which is consistent with the standard model prediction of 44 ± 3  pb calculated at next-to-leading order in QCD.

Search for a heavy particle decaying into an electron and a muon with the ATLAS detector in sqrt[s] = 7 TeV pp collisions at the LHC

This Letter presents the first search for a heavy particle decaying into an e ± μ(-/+) final state in sqrt[s] = 7 TeV pp collisions at the LHC. The data were recorded by the ATLAS detector during 2010 and correspond to a total integrated luminosity of 35 pb(-1). No excess above the standard model background expectation is observed. Exclusions at 95% confidence level are placed on two representative models. In an R-parity violating supersymmetric model, tau sneutrinos with a mass below 0.75 TeV are excluded, assuming all R-parity violating couplings are zero except λ(311)' = 0.11 and λ312 = 0.07. In a lepton flavor violating model, a Z'-like vector boson with masses of 0.70-1.00 TeV and corresponding cross sections times branching ratios of 0.175-0.183 pb is excluded. These results extend to higher mass R-parity violating sneutrinos and lepton flavor violating Z's than previous constraints from the Tevatron.

Search for diphoton events with large missing transverse energy in 7 TeV proton-proton collisions with the ATLAS detector

A search for diphoton events with large missing transverse energy is presented. The data were collected with the ATLAS detector in proton-proton collisions at √s=7 TeV at the CERN Large Hadron Collider and correspond to an integrated luminosity of 3.1 pb⁻¹. No excess of such events is observed above the standard model background prediction. In the context of a specific model with one universal extra dimension with compactification radius R and gravity-induced decays, values of 1/R<729 GeV are excluded at 95% C. L., providing the most sensitive limit on this model to date.

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 GeV

Search for a heavy narrow resonance decaying to eμ, eτ, or μτ with the ATLAS detector in View the MathML sourcepp collisions at the LHC

This Letter presents the results of a search for a heavy particle decaying into an e(+/-)mu(+/-), e(+/-)tau(+/-), or mu(+/-)tau(+/-) final state in pp collisions at root s = 7 TeV. The data were recorded with the ATLAS detector at the LHC during 2011 and correspond to an integrated luminosity of 4.6 fb(-1). No significant excess above the Standard Model expectation is observed, and exclusions at 95% confidence level are placed on the cross section times branching ratio for the production of an R-parity-violating supersymmetric tau sneutrino. For a sneutrino mass of 500 (2000) GeV, the observed limits on the production cross section times branching ratio are 3.2 (1.4) fb, 42 (17) fb, and 40 (18) fb for the e mu, e tau, and mu tau modes, respectively. These results considerably extend constraints from Tevatron experiments.

Measurement of W+W- production in pp collisions at √s=7 TeV with the ATLAS detector and limits on anomalous WWZ and WWγ couplings

This paper presents a measurement of the W+W- production cross section in pp collisions at root s = 7 TeV. The leptonic decay channels are analyzed using data corresponding to an integrated luminosity of 4: 6 fb(-1) collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The W+W- production cross section sigma(pp -> W+W- + X) is measured to be 51.9 +/- 2.0(stat) +/- 3.9(syst) +/- 2.0(lumi) pb, compatible with the Standard Model prediction of 44.7(-1.9)(+2.1) pb. A measurement of the normalized fiducial cross section as a function of the leading lepton transverse momentum is also presented. The reconstructed transverse momentum distribution of the leading lepton is used to extract limits on anomalous WWZ and WW gamma couplings.

The ABEGHHK'tH Resolution

Dr. Gates traces the history of physics leading to the hunt for the Higgs particle and confirmation of its existence in March 2013.