Descoberta e discernimento de supersimetria versus dimensões extras universais no CERN LHC - Silva, Rafael Marcelino do Carmo (2015)
Estimar de forma realista o alcance de descoberta de um experimento de colisão de altas energias, como o realizado no Large Hadron Collider (LHC) do CERN, é uma tarefa complexa, principalmente em vista das técnicas de simulação de eventos e dos métodos de estatística multivariada utilizadas pelas colaborações experimentais na comparação dos dados com as predições teóricas. Descobrir uma nova partícula, contudo, é apenas o primeiro passo na investigação experimental. De modo a estabelecer qual dos eventuais modelos teóricos concorrentes é favorecido pelos dados, torna-se imprescindível o estudo das propriedades desta nova partícula e de suas interações com o restante do espectro. Informações como os números quânticos de spin, conjugação de carga ($C$) e paridade ($P$), podem ser obtidas através do estudo das correlações entre os momentos das partículas produzidas codificadas nas distribuições cinemáticas. O discernimento entre os vários modelos, portanto, passa a ser um problema de combinar todas estas informações de forma eficiente e compará-las aos dados experimentais através de um teste estatístico e decidindo, assim, pela confirmação ou não de um novo sinal e sobre o modelo que melhor explica aqueles dados. No trabalho realizado nesta tese, investigamos o limite do LHC, operando a uma energia de centro-de-massa de 14 TeV, para a descoberta de um modelo supersimétrico (SUSY) simplificado e de seu discernimento em relação a um modelo de dimensões extras universais mínimas (MUED), usando eventos de produção de novas partículas coloridas decaindo, através de cadeias curtas, em jatos e missing energy. Nossa abordagem avança em diversos aspectos em comparação a fenomenologias mais simplificadas: utilizando uma análise estatística multivariada, levando em conta incertezas sistemáticas nas normalizações das seções de choque e no formato das distribuições, empregando técnicas de identificação de jatos de quarks e glúons para uma melhor separação dos backgrounds do Modelo padrão (MP), escaneando e otimizando os cortes retangulares, simulando eventos de forma cuidadosa e com correções de ordem superior da cromodinâmica quântica (QCD). Eventos de SUSY e MUED foram simulados para 150 diferentes espectros de massa, ainda não excluídos pelo LHC, e estimamos o potencial de descoberta e de discernimento SUSY versus MUED no plano de massas de squarks e gluinos utilizando as técnicas acima mencionadas. Mostramos, em primeiro lugar, que mesmo de forma simplificada, inserir incertezas sistemáticas é essencial para uma estimativa mais realista do potencial do acelerador, principalmente no que diz respeito ao aumento de luminosidade integrada. Para incertezas nas normalizações da ordem de 20%, o ganho no potencial de busca torna-se mais limitado. Por exemplo, passando de 100 a 3000 fb$^{-1}$, o alcance na massa dos squarks aumenta de 2.8 para ~ 3.1$ TeV, ao passo que, sem levar em conta estas incertezas, a estimativa é mais otimista, indo de 3.0 a ~ 3.5 TeV para as mesmas luminosidades. Performance similar é observada no discernimento SUSY versus MUED, onde é possível obter uma significância de $5\\sigma$ para massas de squarks de até ~ 2.7 TeV e gluinos ~ 5 TeV, mantendo-se as incertezas sistemáticas a um nível menor do que 10% aproximadamente. De forma geral, concluímos que um modelo supersimétrico simplificado, como o estudado aqui, pode ser descoberto e confirmado (em relação a um dos seus mais populares concorrentes, MUED) para um espectro com squarks, gluinos e neutralinos de aproximadamente 2.5, 5.0 e 0.3 TeV, respectivamente, se as incertezas sistemáticas puderem ser controladas a um nível de 10 % ou menos, após 3 ab$^{-1}$ de luminosidade integrada.