New data standard for the SModelS database containing LHC results for supersymmetry searches

Abstract

Während der ersten Operationsphase des LHC wurden zahlreiche Suchen nach neuer Physik jenseits des Standardmodells (BSM) durchgeführt. Zur Interpretation der Suchergebnisse hat sich der modellunabhängige Ansatz des ''vereinfachte Modell Spektrums''(SMS) als Standardtechnik etabliert, wobei nur eine kleine Anzahl leichter neuer Teilchen für eines dieser Modelle angenommen wird. Die experimentellen Ergebnisse können im Rahmen des Modells in Abhängigkeit der Teilchenmassen und der erlaubten Zerfälle, als obere Grenzwerte für das Produkt aus Wirkungsquerschnitt der Teilchenproduktion und Zerfallswahrscheinlichkeit $(\sigma \times BR)_{UL}$ interpretiert werden. Diese oberen Grenzwerte können prinzipiell auf jedes BSM Szenario angewandt werden, solange es das entsprechende vereinfachte Modell beinhaltet. Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit SMS Interpretationen von Suchen nach Supersymmetrie (SUSY), durchgeführt von den beiden multifunktionalen Experimenten ATLAS und CMS. Um die Reichweite der bisherigen Suchen abzuschätzen, werden zusätzlich zu den Werten für $(\sigma \times BR)_{UL}$ auch Grenzlinien für die Massenbereiche der neuen Teilchen angegeben. Zur Berechnung dieser Grenzlinien wird angenommen, dass die Zerfallswahrscheinlichkeit für ein vereinfachtes Model 100% beträgt, diese sind daher nicht für komplette BSM Szenarien gültig. Der Vergleich kompletter Modelle mit den verschiedenen SMS Resultaten ist aufwendig. Daher wurde zu diesem Zweck ein Programm namens SModelS entwickelt. Dieses ist in der Lage, ein komplettes BSM Modell in seine SMS Topologien zu zerlegen und die theoretischen Werte von $(\sigma \times BR)$ für diese Topologien mit den experimentellen Werten von $(\sigma \times BR)_{UL}$ zu vergleichen. Zu diesem Zweck verwendet SModelS eine Datenbank in welcher die meisten SMS Resultate von ATLAS und CMS gespeichert sind. Im Zuge der vorliegenden Diplomarbeit wurde diese Datenbank validiert, indem SModelS verwendet wurde um die von den Experimentalphysikern angegebenen Grenzlinien zu reproduzieren. Eine große Anzahl dieser Grenzlinien konnten mit guter Übereinstimmung reproduziert werden. Schließlich wurde eine validierte Datenbank erstellt, welche gemeinsam mit SModelS 1.0 veröffentlicht wurde. Die Validierung zeigte auch Verbesserungsmöglichkeiten für die Implementierung der experimentellen Daten auf. Weiters muss in Hinblick auf die zweite Operationsphase des LHC, eine schnelle und zuverlässige Implementierung neuer Resultate gewährleistet sein um die SModelS Datenbank auf dem neuesten Stand zu halten. Dies führte zur Entwicklung eines neuen Hilfsprogramms zur Datenimplementierung und einer neuen Datenbankstruktur. Die wesentlichen Vorteile des neuen Programms sind: eine benutzerfreundliche Schnittstelle für die Datenimplementierung, eine Überprüfung der neu implementierten Daten, so wie eine automatische Erkennung von virtuellen SM Teilchen innerhalb eines vereinfachten Modells. Die neue Datenbankstruktur und das Datenimplementierungsprogramm ermöglichen zudem eine Implementierung von Effizienzdiagrammen, welche für eine zukünftige SModelS Version benötigt werden.

During the first phase of the LHC operation, numerous searches for Beyond the Standard model scenarios (BSM) have been conducted. As a model independent approach, it became a standard technique to interpret these searches in terms of ''Simplified Models Spectra'' (SMS). For a simplified model only a small number of new particles is assumed to be light. The observed result is interpreted as 95 % confidence level upper limit on production cross section times branching ratio $(\sigma \times BR)_{UL}$, depending on the masses and the allowed decays of these particles. The limits can be applied to any BSM scenario that share the same simplified model topology and kinematics. This thesis is focused on SMS interpretations of searches for supersymmmetry (SUSY), done by the two general purpose experiments ATLAS and CMS. In order to estimate the reach of the searches, the experiments also plot exclusion lines on top of the upper limits on $(\sigma \times BR)_{UL}$. The exclusion lines assume 100 % branching ratio for a simplified model and are not valid for full models. Comparing a full model to the numerous SMS results is still complicated. Therefore a tool called ''SModelS'' was developed. It provides an automated procedure to decompose a full model into SMS topologies. The $(\sigma \times BR)$ of these topologies are compared with the upper limits on $(\sigma \times BR)_{UL}$ obtained from the experiment. Most limits by ATLAS and CMS for Run 1 are included in the SModelS database. During this thesis the SModelS database was validated. The framework was used to reproduce the exclusion lines given by the experimentalists. A large number of these lines were found to show very good agreement. A release database was built and shipped with the first release of SModelS 1.0. Within the validation process improvements with respect to the implementation of the experimental data were made. In the light of new results after the restart of the LHC, a fast and reliable way for the data implementation is needed, to keep the SModelS database updated. This resulted in the development of a new framework and a new database structure, described in this thesis. The main advantages of this framework are a user friendly interface for manual data input, several safety switches and an automated recognition of off-shell SM particles for a given model. The framework and the new structure also extend the database for the implementation of efficiency maps for a future version of SModelS.