Search for supersymmetry partners of the top quark in models with compressed mass spectra with the CMS detector

Abstract

Die Supersymmetrie (SUSY) kann viele der aktuellen Probleme des Standardmodells der Teilchenphysik (SM) lösen und ist daher eine der vielversprechendsten Theorien für Physik jenseits des Standardmodells (BSM). In vielen minimalen supersymmetrischen Erweiterungen des SMs ist das leichteste supersymmetrische Teilchen (LSP) ein stabiles, schwach wechselwirkendes Teilchen und dadurch ein idealer Kandidat für Dunkle Materie. Verschiedenste Analysen am Tevatron, LEP und LHC waren bisher erfolglos in der Suche nach Anzeichen von SUSY. Das Ausbleiben dieser Hinweise kann durch ein als compressed SUSY bekanntes Szenario erklärt werden, in dem die Massendifferenz zwischen dem LSP und dem nächstleichteren SUSY Teilchen gering ist. SUSY Szenarien mit einem leichen Top-Squark (t) werden durch einen natürlichen Mechanismus, der die Beiträge des Top-Quarks zur Higgsmasse teilweise aufhebt und damit die Schleifenkorrekturen stabilisiert, motiviert. Zusätzlich kann der Koannihilationswirkungsquerschnitt zwischen dem LSP und einem leichten Top-Squark die heute gemessene Dichte der Dunklen Materie korrekt vorhersagen. Die vorliegende Arbeit präsentiert eine Suche für Paarproduktion von Top-Squarks in SUSY Modellen mit komprimierten Massenspektren in Proton-Proton Kollisionsdaten, die 2016 vom CMS Detektor am LHC aufgezeichnet wurden. Der Einzelleptonkanal des Vierkörperzerfalls (t -> b f f' LSP)und der chargino-vermittelte Zerfall (t -> b X1+ -> b f f' LSP) werden untersucht. Die gemessenen Daten sind in guter Übereinstimmung mit der Vorhersage der SM. Hintergrundprozesse und die Ergebnisse werden zur Bestimmung von Obergrenzen des Produktionswirkungsquerschnitts des Top-Squarks verwendet. Mit der Annahme eines 100% Verzweigungsverhältnisses sowohl für den Vierkörperals auch den chargino-vermittelten Zerfallskanal werden Top-Squarkmassen von bis zu 500 beziehungsweise 540 GeV mit einem Konfidenzintervall von 95% ausgeschlossen.

Supersymmetry (SUSY) is one of the most promising theories for physics beyond the standard model as it explains many of the current problems with the standard model of particle physics (SM). For instance, in many minimal supersymmetric extensions of the SM the lightest supersymmetric particle (LSP) is a stable weakly interacting particle and is therefore an excellent dark matter candidate. However, searches at Tevatron, LEP and the LHC have not been able to find any signs of SUSY so far. This lack of indications for SUSY may be explained if the LSP and the next-to-lightest SUSY particle have a small mass difference, a scenario which is referred to as compressed SUSY. In particular, SUSY scenarios with a light top squark (t) are well motivated since they allow for a natural mechanism to stabilize the loop corrections to the Higgs mass by partially cancelling the contributions coming from the top quark. Additionally, the co-annihilation cross section between the LSP and a light top squark can predict the dark matter relic density which is observed in the universe. This thesis presents a search for the pair production of the top squarks in SUSY models with compressed mass spectra using the 2016 proton-proton collision data collected at the CMS detector of the LHC. The single lepton channel of the four-body (t -> b f f' LSP) and chargino-mediated (t -> b X1+ -> b f f' LSP) decays of the top squark are investigated. The data are found to be compatible with the predicted SM background processes and the results are used to set limits on the production cross section of the top squark. Assuming 100% branching fraction of each decay mode, top squark masses of up to 500 and 540GeV are excluded at 95% confidence level for the four-body and chargino-mediated decays respectively.