Search for supersymmetric partners and anomalous couplings of the top quark with the CMS experiment

Abstract

Die bekannten Elementarteilchen und deren Wechselwirkungen werden vom Standardmodell der Teilchenphysik (SM) beschrieben. Experimentelle Ergebnisse auf unterschiedlichsten Energieskalen können mithilfe des SM verstanden werden. Trotz dieser Erfolge ist das SM unvollständig, etwa weil die unnatürlich kleine Masse des Higgs-Bosons nicht zufriedenstellend erklärt werden kann. Das SM beinhaltet außerdem kein Teilchen, das die dunkle Materie ausmachen könnte. Diese Unzulänglichkeiten haben zur Entwicklung von Theorien jenseits des SM (BSM) geführt. Die Supersymmetrie (SUSY) ist eine Theorie zur Erweiterung des SM, die die Existenz von neuen Elementarteilchen vorhersagt. In vielen SUSY Szenarien ist die Masse des Top-Squarks nicht viel höher als jene seines SM Partners, dem Top-Quark. Daher könnte es in den hochenergetischen Proton-Proton-Kollisionen am LHC paarweise erzeugt werden. Um nach Hinweisen auf die Produktion der Top-Squarks zu suchen, werden Ereignisse mit zwei gegengleich geladenen Leptonen, Jets von Bottom-Quarks, und einem hohen transversalen Impulsungleichgewicht, selektiert. Die Kollisionsdaten, die für diese Suche verwendet werden, wurden mit dem CMS Experiment im Jahr 2016 bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV aufgezeichnet. Top-Squarks mit Massen bis zu 1.3 TeV können für bestimmte SUSY Modelle ausgeschlossen werden. Die gemeinsame Produktion eines Top-Quark-Paars mit einem Z-Boson (ttZ) ist der größte irreduzible SM Hintergrund für diese Suche. Eine genaue Messung des Produktionswirkungsquerschnitts dieses Prozesses ist daher eine Möglichkeit, die Sensitivität von SUSY Suchen zu erhöhen. Außerdem sagen viele BSM Theorien eine modifizierte Kopplung des Top-Quarks an das Z-Boson vorher. Um diese Kopplung zu messen werden Ereignisse mit drei Leptonen und zumindest einem Jet von einem Bottom-Quark aus den 2016 und 2017 aufgezeichneten Kollisionsdaten des CMS Experiments selektiert. Die große Anzahl an aufgezeichneten Kollisionen ermöglicht die differenzielle Messung des ttZ Wirkungsquerschnitts und erlaubt daher eine Einschränkung der anomalen Kopplungen des Top-Quarks.

The standard model of particle physics (SM) comprises our current understanding of elementary particles and their interactions. Several shortcomings of the SM, such as the naturalness problem of the Higgs boson and the lack of a viable dark matter candidate, motivate searches for physics beyond the SM (BSM). Supersymmetry (SUSY) is among the most promising theories to extend the SM and predicts the existence of several new elementary particles. In many SUSY scenarios, the mass of the top squark, the SUSY partner of the SM top quark, is expected to be not much larger than the top quark mass, enabling its pair production in the high energetic proton-proton collisions at the LHC. Events with two oppositely charged leptons, jets identified as originating from b quarks, and large missing transverse momentum are selected from collision data collected by the CMS experiment in order to search for hints of top squark pair production. Under certain model assumptions, the search is sensitive to the production of top squarks with masses up to 1.3 TeV. The production of a Z boson in association with a top quark pair (ttZ) is a large irreducible background for this search. A precise measurement of its cross section is therefore of great importance to reduce systematic uncertainties. Additionally, the coupling of the top quark to the Z boson is sensitive to corrections from physics beyond the standard model and is therefore a promising probe of new physics. A sample with high purity of ttZ events is selected by requiring at least three charged leptons, out of which two leptons with same flavor form a Z boson candidate, and at least one jet is required to be b-tagged. Measurements of the momentum of the Z boson candidate and the angular distribution its decay products are used to set tight direct constraints on anomalous top quark couplings.