Hunting for warped extra dimensions via loop-induced processes

This thesis is on loop-induced processes in theories with warped extra dimensions where the fermions and gauge bosons are allowed to propagate in the bulk, while the Higgs sector is localized on or near the infra-red brane. These so-called Randall-Sundrum (RS) models have the potential to simultaneously explain the hierarchy problem and address the question of what causes the large hierarchies in the fermion sector of the Standard Model (SM). The Kaluza-Klein (KK) excitations of the bulk fields can significantly affect the loop-level processes considered in this thesis and, hence, could indirectly indicate the existence of warped extra dimensions. The analytical part of this thesis deals with the detailed calculation of three loop-induced processes in the RS models in question: the Higgs production process via gluon fusion, the Higgs decay into two photons, and the flavor-changing neutral current b → sγ. A comprehensive, five-dimensional (5D) analysis will show that the amplitudes of the Higgs processes can be expressed in terms of integrals over 5D propagators with the Higgs-boson profile along the extra dimension, which can be used for arbitrary models with a compact extra dimension. To this end, both the boson and fermion propagators in a warped 5D background are derived. It will be shown that the seemingly contradictory results for the gluon fusion amplitude in the literature can be traced back to two distinguishable, not smoothly-connected incarnations of the RS model. The investigation of the b → sγ transition is performed in the KK decomposed theory. It will be argued that summing up the entire KK tower leads to a finite result, which can be well approximated by a closed, analytical expression.rnIn the phenomenological part of this thesis, the analytic results of all relevant Higgs couplings in the RS models in question are compared with current and in particular future sensitivities of the Large Hadron Collider (LHC) and the planned International Linear Collider. The latest LHC Higgs data is then used to exclude significant portions of the parameter space of each RS scenario. The analysis will demonstrate that especially the loop-induced Higgs couplings are sensitive to KK particles of the custodial RS model with masses in the multi tera-electronvolt range. Finally, the effect of the RS model on three flavor observables associated with the b → sγ transition are examined. In particular, we study the branching ratio of the inclusive decay B → X_s γ

High precision tools for slepton pair production processes at hadron colliders

In this thesis, we develop high precision tools for the simulation of slepton pair production processes at hadron colliders and apply them to phenomenological studies at the LHC. Our approach is based on the POWHEG method for the matching of next-to-leading order results in perturbation theory to parton showers. We calculate matrix elements for slepton pair production and for the production of a slepton pair in association with a jet perturbatively at next-to-leading order in supersymmetric quantum chromodynamics. Both processes are subsequently implemented in the POWHEG BOX, a publicly available software tool that contains general parts of the POWHEG matching scheme. We investigate phenomenological consequences of our calculations in several setups that respect experimental exclusion limits for supersymmetric particles and provide precise predictions for slepton signatures at the LHC. The inclusion of QCD emissions in the partonic matrix elements allows for an accurate description of hard jets. Interfacing our codes to the multi-purpose Monte-Carlo event generator PYTHIA, we simulate parton showers and slepton decays in fully exclusive events. Advanced kinematical variables and specific search strategies are examined as means for slepton discovery in experimentally challenging setups.

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.

Implementierung der Laserionenquellenfalle LIST bei ISOLDE und Validierung der Spezifikationen Effizienz und Selektivität

Die Funktionsweise der Laserionenquellenfalle LIST, sowie deren Implementierung bei der Forschungseinrichtung ISOLDE am CERN als neue Standard-Ionenquelle und die ermittelten Spezifikationen Effizienz und Selektivität werden vorgestellt.rnrnDurch die Implementierung der LIST bei ISOLDE konnte on-line mit Hilfe von Radionukliden ein Minimalwert zur Unterdrückung von Kontaminationen durch die LIST bestimmt werden. Die erfolgreiche Unterdrückung von Francium-Kontamination ermöglichte es, neue Messdaten für den mittleren Ladungsradius und die Hyperfeinstruktur für Po-217 zu erzeugen.rnrnUm die Funktionalität der LIST bei ISOLDE hinsichtlich der Ionisationseffizienz gegenüber anderen Ionenquellen einzuordnen, wurden in Mainz am RISIKO-Massenseparator mit der bereits existierenden Standard-Ionenquelle RILIS und der LIST die Effizienzen bestimmt und miteinander verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die LIST im Modus hoher Ionisationseffizienz eine vergleichbare Effizienz aufweist wie die RILIS. Im Modus zur Produktion eines hochreinen Ionenstrahls ist die Ionisationseffizienz gegenüber der RILIS reduziert.rnrnDa die Bestimmung der Selektivität im On-line-Betrieb aufwendig und zeitintensiv ist, wurde die Reinheit des Ionenstrahls am RISIKO-Massenseparator mittels Laufzeitmessungen der Ionen off-line bestimmt und analysiert. Die Zeitstrukturen der RILIS ermöglichen einerseits Rückschlüsse auf die Reinheit des Ionenstrahls zu ziehen, andererseits konnte auch die Ionisation außerhalb des Atomisators, in dem überwiegend die resonante Ionisation stattfindet, nachgewiesen werden. Durch diesen Nachweis kann der Effizienzverlust während der Produktion eines hochreinen Ionenstrahls erklärt werden. Zudem bietet er einen Ansatz für weitere Entwicklungsarbeiten der LIST zur Steigerung der Effizienz.rnrnEine Übertragung der Messergebnisse zur Zeitstruktur der RILIS auf die LIST eröffnet neue Möglichkeiten zur Steigerung deren Selektivität im massenselektiven Mode. Dieser wurde anhand von Simulationen überprüft und mit Messungen an Kalium experimentell quantifiziert.

Luminosity determination for the measurement of the proton-proton total cross section at 8 TeV in the Atlas experiment

La sezione d’urto totale adronica gioca un ruolo fondamentale nel programma di fisica di LHC. Un calcolo di questo parametro, fondamentale nell’ambito della teoria delle interazioni forti, non é possibile a causa dell’inapplicabilità dell’approccio perturbativo. Nonostante ciò, la sezione d’urto può essere stimata, o quanto meno le può essere dato un limite, grazie ad un certo numero di relazioni, come ad esempio il Teorema Ottico. In questo contesto, il detector ALFA (An Absolute Luminosity For ATLAS) sfrutta il Teorema Ottico per determinare la sezione d’urto totale misurando il rate di eventi elastici nella direzione forward. Un tale approccio richiede un metodo accurato di misura della luminosità in condizioni sperimentali difficoltose, caratterizzate da valori di luminosità istantanea inferiore fino a 7 ordini di grandezza rispetto alle normali condizioni di LHC. Lo scopo di questa tesi è la determinazione della luminosità integrata di due run ad alto β*, utilizzando diversi algoritmi di tipo Event-Counting dei detector BCM e LUCID. Particolare attenzione è stata riservata alla sottrazione del fondo e allo studio delle in- certezze sistematiche. I valori di luminosità integrata ottenuti sono L = 498.55 ± 0.31 (stat) ± 16.23 (sys) μb^(-1) and L = 21.93 ± 0.07 (stat) ± 0.79 (sys) μb^(-1), rispettivamente per i due run. Tali saranno forniti alla comunità di fisica che si occupa della misura delle sezioni d’urto protone-protone, elastica e totale. Nel Run II di LHC, la sezione d’urto totale protone-protone sarà stimata con un’energia nel centro di massa di 13 TeV per capire meglio la sua dipendenza dall’energia in un simile regime. Gli strumenti utilizzati e l’esperienza acquisita in questa tesi saranno fondamentali per questo scopo.

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.

Elastic computing on Cloud resources for the CMS experiment

Nowadays, data handling and data analysis in High Energy Physics requires a vast amount of computational power and storage. In particular, the world-wide LHC Com- puting Grid (LCG), an infrastructure and pool of services developed and deployed by a ample community of physicists and computer scientists, has demonstrated to be a game changer in the efficiency of data analyses during Run-I at the LHC, playing a crucial role in the Higgs boson discovery. Recently, the Cloud computing paradigm is emerging and reaching a considerable adoption level by many different scientific organizations and not only. Cloud allows to access and utilize not-owned large computing resources shared among many scientific communities. Considering the challenging requirements of LHC physics in Run-II and beyond, the LHC computing community is interested in exploring Clouds and see whether they can provide a complementary approach - or even a valid alternative - to the existing technological solutions based on Grid. In the LHC community, several experiments have been adopting Cloud approaches, and in particular the experience of the CMS experiment is of relevance to this thesis. The LHC Run-II has just started, and Cloud-based solutions are already in production for CMS. However, other approaches of Cloud usage are being thought of and are at the prototype level, as the work done in this thesis. This effort is of paramount importance to be able to equip CMS with the capability to elastically and flexibly access and utilize the computing resources needed to face the challenges of Run-III and Run-IV. The main purpose of this thesis is to present forefront Cloud approaches that allow the CMS experiment to extend to on-demand resources dynamically allocated as needed. Moreover, a direct access to Cloud resources is presented as suitable use case to face up with the CMS experiment needs. Chapter 1 presents an overview of High Energy Physics at the LHC and of the CMS experience in Run-I, as well as preparation for Run-II. Chapter 2 describes the current CMS Computing Model, and Chapter 3 provides Cloud approaches pursued and used within the CMS Collaboration. Chapter 4 and Chapter 5 discuss the original and forefront work done in this thesis to develop and test working prototypes of elastic extensions of CMS computing resources on Clouds, and HEP Computing “as a Service”. The impact of such work on a benchmark CMS physics use-cases is also demonstrated.

Misura dell'angolo γ a LHCb

L’esperimento LHCb al CERN di Ginevra è stato appositamente progettato per effettuare misure di precisione nel settore della fisica del sapore, per verificare la validità delle previsioni del Modello Standard. Il Modello Standard descrive le trasformazioni dello stato di flavour dei quark secondo lo schema di mixing compendiato nella matrice unitaria di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa. La verifica dell’unitarietà della matrice di mixing è dunque uno dei campi d’indagine più importanti nella fisica delle particelle. I modelli teorici che estendono il Modello Standard prevedono infatti meccanismi alternativi a quello CKM per la trasformazione del flavour che implicherebbero una violazione della unitarietà. Allo scopo di studiare la dinamica del flavour l’esperimento LHCb realizza misure della violazione della simmetria di coniugazione di carica e parità CP. Le misure di violazione della simmetria CP permettono di determinare i valori dei parametri complessi della matrice CKM (modulo e fase). Esse si basano sulla misura delle asimmetrie di decadimento di stati coniugati di carica di mesoni costituiti da quark charm (mesoni D) e beauty (mesoni B) in stati finali costituiti da particelle scelte opportunamente. Di particolare importanza in questo programma di ricerca è la misura della fase del termine Vub della matrice CKM, denominata γ. Scopo della tesi è lo studio dei metodi di misura della fase γ. La tesi è organizzata in quattro capitoli. Nei primi tre capitoli sono state poste le basi teoriche per la comprensione della fenomenologia delle interazioni deboli e della sua descrizione nel Modello Standard. È stata discussa in dettaglio la dinamica del sistema dei mesoni neutri e la violazione della simmetria CP dovuta sia al decadimento sia alla oscillazione. Dopo l’inquadramento teorico, nel quarto e ultimo capitolo, sono stati presentati i tre modelli teorici generalmente utilizzati per la misura della fase γ e impiegati dagli esperimenti dedicati alla fisica del flavour. I metodi proposti sono quelli più importanti, che fino ad oggi hanno consentito di misurare γ. Al momento LHCb ha ottenuto la migliore misura di γ, con un errore relativo del 13%, combinando le tre metodologie di analisi. Si prevede che l’esperimento LHCb possa migliorare significativamente la precisione di misura raccogliendo nel prossimo futuro un campione di eventi di dimensione un’ordine di grandezza maggiore dell’attuale.

Ricerca di una risonanza ad alta massa nello stato finale mu+mu- a sqrt(s)=13 TeV con il rivelatore CMS

Il Modello Standard descrive la fenomenologia delle interazioni fondamentali con estrema precisione; tuttavia è incompleto e deve esistere nuova fisica oltre tale modello. Al momento non si è in grado di prevedere come e a che scala di energia tale fisica si manifesti. Un’eventuale risonanza nello stato finale μ + μ − a masse elevate costituirebbe un segnale di nuova fisica. Un fenomeno di questo tipo viene catalogato come produzione della particella Z' , la quale non rappresenterebbe necessariamente un nuovo bosone vettore sequenziale alla Z_0 . Questa tesi si colloca nell’ambito della ricerca della Z' nei processi di interazione protone-protone a LHC in termini di una generica risonanza che decade in coppie di muoni di carica opposta. I limiti attualmente fissati stabiliscono che non vi siano segnali di nuove risonanze per il Modello Sequenziale (SSM) al di sotto dei 2960 GeV. In questo lavoro di tesi si effettua un’analisi per un’eventuale Z ', fino a 5 TeV di massa. A Maggio 2015, LHC ha raggiunto un’energia nel centro di massa di 13 TeV aumentando di un fattore 10 o più il potere di scoperta per oggetti con massa superiore a 1 TeV. In questo scenario, favorevole all’osservazione di fenomeni rari, si inserisce la mia ricerca.

Investigation of petabyte-scale data transfer performances with PhEDEx for the CMS experiment

PhEDEx, the CMS transfer management system, during the first LHC Run has moved about 150 PB and currently it is moving about 2.5 PB of data per week over the Worldwide LHC Computing Grid (WLGC). It was designed to complete each transfer required by users at the expense of the waiting time necessary for its completion. For this reason, after several years of operations, data regarding transfer latencies has been collected and stored into log files containing useful analyzable informations. Then, starting from the analysis of several typical CMS transfer workflows, a categorization of such latencies has been made with a focus on the different factors that contribute to the transfer completion time. The analysis presented in this thesis will provide the necessary information for equipping PhEDEx in the future with a set of new tools in order to proactively identify and fix any latency issues. PhEDEx, il sistema di gestione dei trasferimenti di CMS, durante il primo Run di LHC ha trasferito all’incirca 150 PB ed attualmente trasferisce circa 2.5 PB di dati alla settimana attraverso la Worldwide LHC Computing Grid (WLCG). Questo sistema è stato progettato per completare ogni trasferimento richiesto dall’utente a spese del tempo necessario per il suo completamento. Dopo svariati anni di operazioni con tale strumento, sono stati raccolti dati relativi alle latenze di trasferimento ed immagazzinati in log files contenenti informazioni utili per l’analisi. A questo punto, partendo dall’analisi di una ampia mole di trasferimenti in CMS, è stata effettuata una suddivisione di queste latenze ponendo particolare attenzione nei confronti dei fattori che contribuiscono al tempo di completamento del trasferimento. L’analisi presentata in questa tesi permetterà di equipaggiare PhEDEx con un insieme di utili strumenti in modo tale da identificare proattivamente queste latenze e adottare le opportune tattiche per minimizzare l’impatto sugli utenti finali.

Studio di un rivelatore per neutroni di alta energia

Guidata dall'interesse per lo studio della fissione nucleare, per molto tempo la ricerca nel campo dei neutroni si è concentrata su energie medio-basse (E<20 MeV) mentre per la regione a più alte energie le informazioni risultavano scarse o mancanti. Recentemente, invece, si è sviluppato un nuovo interesse per i Neutroni di Alta Energia, utilizzabili nelle terapie mediche per la cura di tumori, e di grande importanza per la radioprotezione e la trasmutazione delle scorie radioattive derivanti da produzione di energia nucleare. Queste applicazioni richiedono precisi fasci di neutroni quasi-monoenergetici, con energie dai 20 a qualche centinaia di MeV, servono perciò misurazioni intese a determinare le caratteristiche del fascio e atte a ottenere valori precisi della sezione d'urto relativa ai processi innescati da neutroni veloci. La sezione d'urto di un certo processo nucleare si deduce dalla misura del numero di eventi acquisiti per unità di tempo da un rivelatore, conoscendo l'efficienza di questo, l'intensità del fascio che incide nel bersaglio e le caratteristiche del target. Diventa, quindi, determinante la conoscenza dell'intensità del fascio dei neutroni, anche nel caso di un intervallo energetico ampio, come quello prodotto al CERN dalla facility n_TOF, che possiede energie che vanno dal meV al GeV. Sulla base di queste motivazioni, in questo lavoro di tesi, si vuole proporre un prototipo semplice di rivelatore per Neutroni di Alta Energia e si presenta uno studio preliminare del primo test sotto fascio, focalizzando l'attenzione sulla massima energia misurabile.

Measurement of tt ̄production cross section at 13 TeV in the fully-hadronic channel with CMS

Lo scopo di questa tesi è la misura di sezione d’urto di produzione di coppie top-antitop nel canale adronico. Per la misura sono stati utilizzati i dati raccolti dall’esperimento CMS in collisioni protone-protone ad LHC, con un’energia nel centro di massa pari a 13 TeV. Il campione di dati utilizzato corrisponde ad una luminosità integrata di 2.474 f b^ −1 . L’analisi dati inizia selezionando gli eventi che soddisfano determinate condizioni (e.g. trigger, tagli cinematici, sei o più jet, almeno 2 jet provenienti dall’adronizzazione di due quark bottom) con lo scopo di incrementare la purezza del segnale scartando il più possibile gli eventi di fondo. A seguire, viene ricostruita la massa del quark top usando un fit cinematico. Sulle distribuzioni di tale massa si basa la stima degli eventi di fondo e di segnale. Infine, attraverso un fit di verosimiglianza, si ottiene il valore della sezione d’urto: σ t t ̄ = 893 ± 57 (stat) ± 104 (syst) pb. Questo risultato è in buon accordo con il valore teorico di 832 pb e con altre misure di CMS effettuate in canali differenti.

Fattibilità della misura di cattura neutronica sugli isotopi dispari del gadolinio

In questo lavoro di tesi ci proponiamo di determinare lo spessore degli isotopi ^157Gd e ^155Gd in vista della misura della sezione d’urto di cattura neutronica presso la facility n_TOF del CERN. La principale motivazione dell’esperimento è legata alla necessità di ottenere misure più accurate per le applicazioni ai reattori nucleari. Inoltre, i nuovi risultati, potranno essere sfruttati anche per applicazioni ai recenti sviluppi nella Terapia di Cattura Neutronica e per costruire nuovi rivelatori nell’ambito della ricerca del neutrino. La misura sarà effettuata nella prima area sperimentale EAR-1 di n_TOF, equipaggiata con rivelatori, come per esempio gli scintillatori liquidi al benzene deuterato (C6 D6) particolarmente adatti per questi tipi di misura. La sezione d’urto di questi due isotopi cambia di molti ordini di grandezza al variare dell’energia dei neutroni incidenti. Per questo motivo, lo studio effettuato in questa tesi ha mostrato che sono necessari due campioni altamente arricchiti per ogni isotopo da misurare: un campione estremamente sottile per energie del neutrone fino a 100 meV, e uno più spesso per energie maggiori. Inoltre per questi campioni sono stati determinati le densità areali necessarie per lo svolgimento dell’esperimento affinchè avvenga il fenomeno di trasmissione dei neutroni.

Studio di fattibilità della misura di sezione d'urto di cattura neutronica sugli isotopi di gadolinio

L'obiettivo di questa tesi è determinare gli spessori ottimali dei campioni arricchiti di isotopi di Gadolinio pari in modo da ottenere incertezze associate alle sezioni d'urto di cattura neutronica inferiori o uguali a circa il 5 %. Viene inoltre descritta la facility n_TOF al CERN, dove saranno effettuate una serie di misure di sezioni d'urto attraverso i rivelatori C6D6, caratterizzati da una bassa sensibilità ai neutroni scatterati.