Exploring long-lived particles decaying into displaced dimuons with the CMS experiment

Abstract

Viele plausible Theorien jenseits des Standardmodells der Elementarteilchenphysik sagen die Existenz exotischer, langlebiger Teilchen voraus. Diese langlebigen Teilchen könnten in hochenergetischen Proton-Proton-Kollisionen erzeugt werden und in bekannte Teilchen zerfallen, die in makroskopischer Entfernung zum Kollisionspunkt detektiert werden können. Diese Arbeit präsentiert eine inklusive Suche nach exotischen, langlebigen Teilchen, die in ein Paar Myonen zerfallen. Die experimentelle Signatur besteht aus zwei gegensätzlich geladenen Myonen, die aus einem Sekundärvertex stammen, welcher zwischen einigen Hundert Mikrometern und einigen Metern vom Proton-Proton-Kollisionspunkt entfernt liegt. Die Suche basiert auf Daten, die vom CMS-Experiment am CERN LHC in Proton-Proton-Kollisionen bei $\sqrt{s}=13.6$ TeV in 2022 aufgenommen wurden und einer integrierten Luminosität von 36.6 fb$^{-1}$ entsprechen. Dabei werden neue Trigger-Strategien eingesetzt, die darauf ausgelegt sind, die Sensitivität auf Ereignisse mit einer solchen Signatur zu maximieren. Diese Trigger-Strategien kombinieren neue und bestehende Rekonstruktionsalgorithmen auf innovative Weise, wodurch sie von der höheren Auflösung des Trackers sowie der großräumigen geometrischen Abdeckung des Myonsystems profitieren um Trigger-Schwellenwerte zu reduzieren und gleichzeitig Untergrundereignisse zu unterdrücken.Die Resultate der Suche werden zum einen im Kontext des ``Hidden Abelian Higgs Model'' interpretiert, in dem das Higgs-Boson in ein Paar dunkle Photonen zerfällt, welche an einem sekundären Vertex in ein Paar Myonen zerfallen. Zum anderen wird ein R-Parität-verletzendes Supersymmetrie-Modell getestet, in dem langlebige Neutralinos in ein Paar Myonen und ein Neutrino zerfallen. Da kein statistisch signifikanter Überschuss im Vergleich zur Standardmodellhypothese beobachtet wurde, wurden Grenzen der entsprechenden Modellparameter bestimmt. Durch die verbesserten Trigger und die verfeinerte Analysestrategie zeigt diese Arbeit im Vergleich zu einer vorherigen Analyse bei $\sqrt{s}=13$~TeV wesentliche Verbesserungen, besonders bei kleinen Massen und großen Lebenszeiten.

Many well-motivated theories beyond the Standard Model of particle physics propose the existence of exotic-long lived particles. These long-lived particles could be produced in high-energy proton-proton collisions and go on to decay into known particles, which could be detected a macroscopic distance away from the proton-proton collision point. This thesis presents an inclusive search for long-lived exotic particles decaying to a pair of muons. The experimental signature consists of two oppositely charged muons originating from a common secondary vertex, displaced from the proton-proton interaction point by distances ranging between several hundred micrometers to several meters. The search uses data collected by the CMS experiment at the CERN LHC in proton-proton collisions at $\sqrt{s}=13.6$~TeV in 2022, corresponding to an integrated luminosity of 36.6~$\text{fb}^{-1}$, using new trigger strategies designed to maximize sensitivity to events bearing such a signature. These trigger strategies employ new and existing reconstruction algorithms innovatively, benefiting from the higher resolution of the tracker as well as the extensive coverage of the muon system, to achieve lower trigger thresholds while simultaneously suppressing prompt backgrounds. The results of the search are interpreted in the framework of the hidden Abelian Higgs model, in which the Higgs boson decays to a pair of long-lived dark photons, which in turn decay into a pair of displaced muons, and of an R-parity violating supersymmetry model, in which long-lived neutralinos decay to a pair of muons and a neutrino. No statistically significant excess was observed over the predicted Standard Model background hypothesis, and limits were set on the model parameters. The results show substantial improvements with respect to a previous analysis performed using data taken at $\sqrt{s}=13$~TeV, especially at low masses and long lifetimes, which are mainly driven by the improved triggers and a refined analysis strategy.