Search for SUSY with a compressed mass spectrum in the single lepton channel with the CMS experiment

Abstract

Das Standardmodell der Telchenphysik (SM) beschreibt die uns bekannten Teilchen und deren Wechselwirkungen mit bemerkenswerter Präzision. Es erklärt jedoch weder das Phänom der Dunklen Materie noch die Natürlichkeit der Higgs-Masse oder die Vereinheitlichung der elementaren Kräfte, was die Suche nach Physik jenseits des SM motiviert.Eine Erweiterung des SM ist die Supersymmetrie (SUSY), welche Antworten auf die beschriebenen Mängel des SM liefern kann. Im Rahmen der SUSY wird ein neues Spektrum von Teilchen eingeführt.Diese Teilchen werden Superpartnern genannt.Obwohl am LHC noch keine Superpartner beobachtet wurden, ist die Theorie nicht ausgeschlossen. Mehrere Bereiche des Parameterraums sind noch unzureichend getestet, insbesondere solche, die experimentell schwer zugänglich sind, obwohl sie aus theoretischer Sicht durchaus interessant wären.Ein Beispiel für ein solches Szenario ist die komprimierte (compressed) SUSY, bei der die Massendifferenz Δm zwischen dem zweit leichtesten Superpartner und dem leichtesten supersymmetrischen Teilchen (LSP) gering ist. Ein besonders interessanter Fall tritt ein, wenn das zweit leichteste Superpartner und dem leichte Top Squark (Stop) ist, weil dann große Beiträge zur Higgs-Masse vom Top Quark aufgehoben werden und die Natürlichkeit der Higgs-Masse motiviert werden kann.Bei noch kleinerem Δm kann das Stop Teilchen langlebig werden.In Szenarien der Koannihilation von Dunkler Materie ist solch ein kleines Δm zusätzlich motiviert, weil es die beobachtete Reliktdichte der Dunklen Materie reproduzieren kann.Experimentell haben die messbaren Endzustände einen sehr geringen transversalen Impuls und nur einen mäßigem Betrag an fehlendem transversalen Impuls, was eine Herausforderung für klassische Messungen am LHC darstellt.Diese Arbeit präsentiert eine Suche nach paarweise erzeugten Stopps in supersymmetrischen Modellen. Die Massendifferenz Δm zwischen dem Top Squark und dem LSP ist dabei kleiner als die W-Boson Masse und der Vierkörperzerfall im Endzustand mit einem einzelnen Lepton steht im Fokus.Die Studie verwendet Daten von Proton-Proton-Kollisionen, die vom CMS-Detektor bei einer Schwerpunktsenergie von √s=13 TeV während des Run 2 (2016–2018) aufgezeichnet wurden. Die integrierte Luminosität entspricht 138 fb-1.Um die Sensitivität für Prozesse mit niedrigen transversalen Impulsen zu maximieren, werden die Jet-Schwellenwerte auf 20 GeV reduziert und eine feinkörnige Unterteilung in transversaler Masse und Lepton transversalen Impuls verwendet, wobei die statistische Aussagekraft des vollständigen Datensatzes aus dem Run 2 genutzt wird. Die Arbeit konzentriert sich auf die Prompt-Interpretation (die Lebensdauer der erzeugten Stops ist Null), enthält aber auch Beiträge zu den parallel durchgeführten ergänzenden Suchen nach langlebigen Stop Teilchen.Die Analyse bleibt blind, da die Suche nach langlebigen Komponenten noch läuft.Es wurden erwartete 95\%-Konfidenz-Obergrenzen unter Verwendung von Asimov-Datensätzen in einem Profil-Likelihood-Ansatz ermittelt, die eine deutlich verbesserte Empfindlichkeit im Vergleich zu früheren Ergebnissen zeigen, die nur auf Daten aus dem Jahr 2016 basieren.

The Standard Model (SM) describes known particles and interactions with remarkable precision; however, it does not account for dark matter, the naturalness of the Higgs mass, or the unification of forces, motivating searches for physics beyond the SM. Supersymmetry (SUSY) addresses these shortcomings by predicting a spectrum of superpartners. Although no superpartners have been observed at the LHC, the theory is not excluded: several regions of parameter space remain weakly tested, particularly those that are experimentally hard to explore rather than theoretically disfavoured.One such scenario is compressed SUSY, where the mass difference Δm between the next-to-lightest superpartner and the lightest supersymmetric particle (LSP) is small. A particularly important case is when the next-to-lightest particle is the light top squark (stop), since naturalness arguments favour light stops to cancel large contributions from the top quark to the Higgs boson mass. For even smaller Δm, the stop can become long-lived.In dark-matter coannihilation scenarios, small Δm is further motivated as it can reproduce the observed relic density. Experimentally, however, such scenarios yield final-state objects with very low transverse momenta and modest missing transverse momentum, posing challenges for classical high-momentum searches.This thesis presents a search for pair-produced stops in supersymmetric models with Δm between the top squark and the LSP less than the W boson mass, targeting the four-body decay in the single-lepton final state.The study uses proton–proton collision data recorded by the CMS detector at a centre-of-mass energy of √s=13 TeV during Run 2 (2016–2018), corresponding to an integrated luminosity of 138 fb-1.To maximise sensitivity to soft kinematics, the jet thresholds are reduced to 20 GeV and a fine-grained binning in transverse mass and lepton transverse momenta is employed, exploiting the statistical power of full Run 2 dataset. The thesis focuses on the prompt (zero-lifetime) interpretation, while also including supporting contributions to the complementary long-lived stop searches pursued in parallel.The analysis remains blinded as the long-lived component is ongoing.Within this framework, expected 95% confidence-level upper limits are obtained using Asimov datasets in a profile-likelihood approach, showing significantly improved sensitivity compared to earlier results based on 2016 data only.