The Large Hadron Collider (LHC) is a 27 km circumference proton-proton collider built at CERN with the goal of investigating the physics processes manifesting at the TeV scale. It started its operations in 2009, colliding two proton beams at the center of mass energy of 0.9 TeV. This energy was then gradually increased up to 13 TeV in 2015, which represents the highest energy reached so far by a hadron collider. The Compact Muon Solenoid (CMS) is one of the two general-purpose experiments at the LHC. The main goals of the experiment are the study of the Higgs boson, indeed discovered in 2012 by ATLAS and CMS, and the search for new physics. One of the most promising fields is the search for Lepton Flavour Violating (LFV) processes, strongly suppressed in the SM but predicted by many Beyond Standard Model (BSM) theories at much higher rates. The subject of this thesis is the search for the LFV decay tau- -> mu+ mu- mu-, and it will focus on tau leptons originating from W bosons. The analysis is performed within the CMS experiment on Run-II data, which corresponds to an integrated luminosity of 146.9 /fb. The work presents the analysis of 2017 and 2018 data and completes the result obtained on 2016 statistics, recently published by CMS [1]. This was the first CMS result for the tau -> 3mu search; I personally contributed to the analysis for the W->tau nu channel. Indeed, the tau->3mu process is studied within CMS also in the Heavy Flavour (HF) channel to exploit the full potentiality of the experiment. The two channels have some advantages and some constraints. The sensitivity of the HF search is essentially limited by the low pT of the tau leptons and by the large QCD background. By way of contrast, the factors limiting the sensitivity of the LFV search in W->tau nu decays mainly come from the much smaller W production cross section when compared to that of the Heavy Flavours in proton-proton collisions. Nevertheless, tau leptons from W are characterized by clear signatures, i.e. the large missing energy, the good lepton isolation, the low background, and higher pT values, which better suite the CMS triggers. The 2016 study has allowed to identify the weak points of the analysis. In particular, a new trigger was studied and implemented to target specifically tau->3mu processes from W->tau nu decays, taking advantage of the kinematic and topological characteristics of this channel. The new version was included online in 2017. The distinctive features of the W channel are further exploited in the offline analysis of the collected events, which adopts multivariate techniques (MVA) to suppress the background contamination. The signal yield upper limit is estimated from the distribution of the three-muon candidate invariant mass; the signal is fit with a Gaussian function in a signal region defined around the tau mass, while the background is extrapolated from the data sidebands and parametrized with a polynomial function. The analysis has lead to an estimation of the expected upper limit (at 90% of confidence level) of 4.4 x 10^-8 for the W channel. Combining the limit obtained in this thesis with the expected limit coming from the parallel analysis of HF decays and with the result on 2016 data, we obtained a global limit of 2.3 x 10^-8 for the tau->3mu decay, which is competitive with the the world-best result. The analysis presented in this thesis was under internal approval at the time this thesis was written, so that only the expected upper limit, computed on blind data, is reported. [1] https://inspirehep.net/literature/1807031

Il Large Hadron Collider (LHC) è un collisore di protoni di circonferenza 27 km, costruito al CERN per studiare le interazioni delle particelle elementari alla scala di energia del TeV. A partire dal 2009, suo primo anno di funzionamento, l’energia a disposizione nel centro di massa dei due fasci di protoni che collidono è stata progressivamente aumentata dal valore iniziale di 0.9 TeV fino a raggiungere, nel 2015, 13 TeV. Questo valore rappresenta la più alta energia mai raggiunta da un collisore adronico. CMS è uno dei due esperimenti ad ampio spettro presenti ad LHC. Gli scopi principali di CMS sono lo studio del bosone di Higgs, scoperto nel 2012 da ATLAS e CMS, e la ricerca di evidenze di fisica oltre il Modello Standard (MS). In questa ottica, uno dei campi più promettenti è la ricerca di decadimenti caratterizzati da violazione del sapore leptonico (Lepton Flavour Violation - LFV), fortemente soppressi nel MS ma predetti con frazioni di decadimento più alte da alcune teorie oltre il MS (Beyond Standard Model - BSM). L'argomento di questa tesi è la ricerca del decadimento LFV tau- -> mu+ mu- mu-, e si focalizza su leptoni tau provenienti da bosoni W. L'analisi è condotta nell'ambito dell'esperimento CMS sui dati raccolti durante Run-II, corrispondenti ad una luminosità integrata di 146.9 /fb. Questo lavoro completa il risultato ottenuto da CMS sui dati 2016, pubblicato recentemente [1]. Questo è stato il primo risultato ottenuto da CMS nella ricerca del decadimento tau->3mu; io ho personalmente contribuito all'analisi nel canale W->tau nu. A complemento dell'analisi nel canale di produzione W, a CMS è stata eseguita un'analisi utilizzando leptoni tau provenienti dai decadimenti di adroni pesanti, principalmente mesooni Ds e B (canale Heavy Flavour - HF). La loro combinazione permette di sfruttare appieno le potenzialità e la statistica di CMS. I due canali presentano dei vantaggi e degli svantaggi.La sensibilità del canale HF è essenzialmente limitata dal basso pT dei leptoni tau e dal grande fondo QCD. Diversamente, i limiti principali dell'analisi nel canale W->tau nu sono dovuti alla piccola sezione d'urto di produzione dei bosoni W rispetto a quella dei quark pesanti nelle collisioni protone-protone. Tuttavia, questa tipologia di eventi risulta meno contaminata da fondi, grazie alla notevole Massa Trasversale Mancante (MET), al miglior isolamento dei leptoni e ad un più alto momento trasverso degli stessi, risultando quindi più adatti alle selezioni del trigger. L'analisi sui dati 2016 ha permesso di identificarne alcuni limiti e apportare migliorie. In particolare, è stata studiata ed implementata una nuova versione del trigger, online da luglio 2017. Questa nuova versione sfrutta maggiormente le caratteristiche cinematiche e topologiche dei decadimenti tau->3mu nel canale di produzione W. Queste caratteristiche distintive sono sfruttate appieno nell'analisi offline degli eventi raccolti grazie all'utilizzo di una tecnica di analisi multivariata per la reiezione degli eventi di fondo. Il segnale e il suo limite superiore finale sono ricavati dagli istogrammi della massa invariante dei tre muoni ricostruiti; il segnale è interpolato con una funzione gaussiana centrata sul valore di massa del leptone tau, mentre il fondo è interpolato con una funzione polinomiale. L'analisi ha permesso una stima del limite superiore atteso (al 90% di livello di confidenza) pari a 4.4 x 10^-8 per il canale W. Combinando il limite ottenuto in questa tesi con quello del canale comoplementare HF e con il risultato ottenuto sui dati 2016, si ottiene un limite preliminare di 2.3 x 10^-8, che risulta competitivo con il miglior limite mondiale. L'analisi presentata è in fase di revisione interna nel momento in cui questa tesi viene scritta, e il risultato può essere citato solo in termini di limite superiore atteso, calcolato su dati blind. [1] https://inspirehep.net/literature/1807031

(2022). Search for the lepton flavour violating process tau- -> mu+ mu- mu- in the CMS experiment at the LHC with Run-II data. (Tesi di dottorato, Università degli Studi di Milano-Bicocca, 2022).

Search for the lepton flavour violating process tau- -> mu+ mu- mu- in the CMS experiment at the LHC with Run-II data

GUZZI, LUCA
2022

Abstract

Il Large Hadron Collider (LHC) è un collisore di protoni di circonferenza 27 km, costruito al CERN per studiare le interazioni delle particelle elementari alla scala di energia del TeV. A partire dal 2009, suo primo anno di funzionamento, l’energia a disposizione nel centro di massa dei due fasci di protoni che collidono è stata progressivamente aumentata dal valore iniziale di 0.9 TeV fino a raggiungere, nel 2015, 13 TeV. Questo valore rappresenta la più alta energia mai raggiunta da un collisore adronico. CMS è uno dei due esperimenti ad ampio spettro presenti ad LHC. Gli scopi principali di CMS sono lo studio del bosone di Higgs, scoperto nel 2012 da ATLAS e CMS, e la ricerca di evidenze di fisica oltre il Modello Standard (MS). In questa ottica, uno dei campi più promettenti è la ricerca di decadimenti caratterizzati da violazione del sapore leptonico (Lepton Flavour Violation - LFV), fortemente soppressi nel MS ma predetti con frazioni di decadimento più alte da alcune teorie oltre il MS (Beyond Standard Model - BSM). L'argomento di questa tesi è la ricerca del decadimento LFV tau- -> mu+ mu- mu-, e si focalizza su leptoni tau provenienti da bosoni W. L'analisi è condotta nell'ambito dell'esperimento CMS sui dati raccolti durante Run-II, corrispondenti ad una luminosità integrata di 146.9 /fb. Questo lavoro completa il risultato ottenuto da CMS sui dati 2016, pubblicato recentemente [1]. Questo è stato il primo risultato ottenuto da CMS nella ricerca del decadimento tau->3mu; io ho personalmente contribuito all'analisi nel canale W->tau nu. A complemento dell'analisi nel canale di produzione W, a CMS è stata eseguita un'analisi utilizzando leptoni tau provenienti dai decadimenti di adroni pesanti, principalmente mesooni Ds e B (canale Heavy Flavour - HF). La loro combinazione permette di sfruttare appieno le potenzialità e la statistica di CMS. I due canali presentano dei vantaggi e degli svantaggi.La sensibilità del canale HF è essenzialmente limitata dal basso pT dei leptoni tau e dal grande fondo QCD. Diversamente, i limiti principali dell'analisi nel canale W->tau nu sono dovuti alla piccola sezione d'urto di produzione dei bosoni W rispetto a quella dei quark pesanti nelle collisioni protone-protone. Tuttavia, questa tipologia di eventi risulta meno contaminata da fondi, grazie alla notevole Massa Trasversale Mancante (MET), al miglior isolamento dei leptoni e ad un più alto momento trasverso degli stessi, risultando quindi più adatti alle selezioni del trigger. L'analisi sui dati 2016 ha permesso di identificarne alcuni limiti e apportare migliorie. In particolare, è stata studiata ed implementata una nuova versione del trigger, online da luglio 2017. Questa nuova versione sfrutta maggiormente le caratteristiche cinematiche e topologiche dei decadimenti tau->3mu nel canale di produzione W. Queste caratteristiche distintive sono sfruttate appieno nell'analisi offline degli eventi raccolti grazie all'utilizzo di una tecnica di analisi multivariata per la reiezione degli eventi di fondo. Il segnale e il suo limite superiore finale sono ricavati dagli istogrammi della massa invariante dei tre muoni ricostruiti; il segnale è interpolato con una funzione gaussiana centrata sul valore di massa del leptone tau, mentre il fondo è interpolato con una funzione polinomiale. L'analisi ha permesso una stima del limite superiore atteso (al 90% di livello di confidenza) pari a 4.4 x 10^-8 per il canale W. Combinando il limite ottenuto in questa tesi con quello del canale comoplementare HF e con il risultato ottenuto sui dati 2016, si ottiene un limite preliminare di 2.3 x 10^-8, che risulta competitivo con il miglior limite mondiale. L'analisi presentata è in fase di revisione interna nel momento in cui questa tesi viene scritta, e il risultato può essere citato solo in termini di limite superiore atteso, calcolato su dati blind. [1] https://inspirehep.net/literature/1807031
MALVEZZI, SANDRA
The Large Hadron Collider (LHC) is a 27 km circumference proton-proton collider built at CERN with the goal of investigating the physics processes manifesting at the TeV scale. It started its operations in 2009, colliding two proton beams at the center of mass energy of 0.9 TeV. This energy was then gradually increased up to 13 TeV in 2015, which represents the highest energy reached so far by a hadron collider. The Compact Muon Solenoid (CMS) is one of the two general-purpose experiments at the LHC. The main goals of the experiment are the study of the Higgs boson, indeed discovered in 2012 by ATLAS and CMS, and the search for new physics. One of the most promising fields is the search for Lepton Flavour Violating (LFV) processes, strongly suppressed in the SM but predicted by many Beyond Standard Model (BSM) theories at much higher rates. The subject of this thesis is the search for the LFV decay tau- -> mu+ mu- mu-, and it will focus on tau leptons originating from W bosons. The analysis is performed within the CMS experiment on Run-II data, which corresponds to an integrated luminosity of 146.9 /fb. The work presents the analysis of 2017 and 2018 data and completes the result obtained on 2016 statistics, recently published by CMS [1]. This was the first CMS result for the tau -> 3mu search; I personally contributed to the analysis for the W->tau nu channel. Indeed, the tau->3mu process is studied within CMS also in the Heavy Flavour (HF) channel to exploit the full potentiality of the experiment. The two channels have some advantages and some constraints. The sensitivity of the HF search is essentially limited by the low pT of the tau leptons and by the large QCD background. By way of contrast, the factors limiting the sensitivity of the LFV search in W->tau nu decays mainly come from the much smaller W production cross section when compared to that of the Heavy Flavours in proton-proton collisions. Nevertheless, tau leptons from W are characterized by clear signatures, i.e. the large missing energy, the good lepton isolation, the low background, and higher pT values, which better suite the CMS triggers. The 2016 study has allowed to identify the weak points of the analysis. In particular, a new trigger was studied and implemented to target specifically tau->3mu processes from W->tau nu decays, taking advantage of the kinematic and topological characteristics of this channel. The new version was included online in 2017. The distinctive features of the W channel are further exploited in the offline analysis of the collected events, which adopts multivariate techniques (MVA) to suppress the background contamination. The signal yield upper limit is estimated from the distribution of the three-muon candidate invariant mass; the signal is fit with a Gaussian function in a signal region defined around the tau mass, while the background is extrapolated from the data sidebands and parametrized with a polynomial function. The analysis has lead to an estimation of the expected upper limit (at 90% of confidence level) of 4.4 x 10^-8 for the W channel. Combining the limit obtained in this thesis with the expected limit coming from the parallel analysis of HF decays and with the result on 2016 data, we obtained a global limit of 2.3 x 10^-8 for the tau->3mu decay, which is competitive with the the world-best result. The analysis presented in this thesis was under internal approval at the time this thesis was written, so that only the expected upper limit, computed on blind data, is reported. [1] https://inspirehep.net/literature/1807031
LFV; CMS; LHC; HEP; tau in tre muoni
LFV; CMS; LHC; HEP; tau in tre muoni
FIS/04 - FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE
English
FISICA E ASTRONOMIA
34
2020/2021
(2022). Search for the lepton flavour violating process tau- -> mu+ mu- mu- in the CMS experiment at the LHC with Run-II data. (Tesi di dottorato, Università degli Studi di Milano-Bicocca, 2022).
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10281/364123
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