Search for long lived particles in the CMS muon system

Abstract

This thesis presents two searches for long-lived particles (LLP) with long lifetimes, leading to flight distances in the order of meters. The searches are performed with data from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV from the Large Hadron Collider (LHC) corresponding to an integrated luminosity of ℒ = 137 fb−1 recorded with the Compact Muon Solenoid (CMS) detector. Both searches target long-lived particles decaying hadronically inside the CMS muon system, which is uniquely suited for such a search. The Drift Tubes (DT) and Cathode Strip Chambers (CSC) are placed within the iron return yoke, which allows the usage of the muon system as a sampling calorimeter for hadronic showers. These Muon Detector Showers (MDS) are reconstructed with a density based clustering algorithm (DBSCAN), clustering the detector level hits together. This newly created object was developed for the analyses presented in this thesis. The first analysis considers a Twin Higgs benchmark model, with long-lived particle masses between 7 and 55 GeV and lifetimes between 0.1 and 100 m, with decays into a pair of b quarks, d quarks or 𝜏 leptons being considered. The LLPs will create an isolated hadronic shower in the muon system, a large amount of missing transverse momentum pointing in the same direction and an initial state radiation jet on the other side of the detector. The main background consists of Standard Model particles from pileup with large displacements and is estimated using a data-driven ABCD method. The analysis finds no evidence for long-lived particles, but improves the current best upper limits at 95 % confidence level on the possible branching ratio of the long-lived particle by a factor between 2 to 6, depending on the mass and lifetime of the LLP. The second analysis targets long-lived heavy neutral leptons (HNL), with HNL masses between 1 and 3.5 GeV and lifetimes between 1 mm and 10 m. The HNL can either be Majorana or Dirac type, each of which decays into a lepton and a hadronically decaying W boson, forming a shower in the muon system. The signal signature consists of an isolated hadronic shower being aligned with the 𝑝miss T and a prompt lepton on the other side of the detector. The background consists of pileup and Z → 𝜇𝜇 events, where one muon emits bremsstrahlung, and is estimated using a data driven ABCD method. No evidence for HNLs is found but an upper limit at 95 % confidence level on the mixing angle is set for the different HNL masses and flavors. The current best limit is improved for HNL masses between 1.9 and 3.3 GeV depending on the flavor of the HNL.

Diese Doktorarbeit präsentiert zwei Suchen nach Teilchen mit langen Lebenszeiten, welche zu einer Verschiebung ihrer Zerfallsorte in der größe einiger Meter führt. Die Analysen wurden mit Daten von Proton-Proton-Kollisionen mit einer Schwer- punktsenergie von 13 TeV, welche am Large Hadron Collider (LHC) stattfanden, durchgeführt. Der Compact Muon Solenoid Detektor nahm die Daten auf, welche einer integrierte Luminosität von ℒ = 137 fb−1 entsprechen. Beide Analysen befassen sich mit langlebigen Teilchen, welche innerhalb der CMS Muondetektoren hadronisch zerfallen. Der CMS Detektor ist für derartige Zerfälle besonders gut geeignet, da die Drift Tubes (DT) und Cathode Strip Chambers (CSC) Detektoren in das Eisenrücklaufjoch eingebettet sind. Zusammen fungieren diese Komponenten dann als ein Samplingkalorimeter für hadronische Zerfälle. Für die Analyse solcher Zerfälle wurde das neue Objekt der Muonen Detektor Schauer (MDS) definiert, welches mithilfe eines dichte basierten geometrischen Clusteralgorithmus (DBSCAN) rekonstruiert wird. Die erste Analyse sucht nach langlebigen Teilchen mit Massen zwischen 7 und 55 GeV und Lebenszeiten zwischen 0.1 und 100 m, welche vom einem Twin Higgs Modell vorhergesagt werden. Zerfälle der langlebigen Teilchen in ein Paar von b oder d Quarks, sowie der Zerfall in ein paar Tau Leptonen, werden berücksichtigt. Diese Zerfälle erzeugen einen isolierten hadronischen Teilchenschauer in den Muondetektoren, welcher gleichzeitig mit einer großen Menge von fehlendem Transversalimpuls und einem Teilchen-Jet auf der gegenüberliegenden des Detektors einhergeht. Der Großteil der Untergrundprozesse besteht aus stabilen Standardmodellteilchen, welche durch weitere, gleichzeitig mit dem eigentlichen Kollisionsereignis stattfindenden Kollisionen (pileup), erzeugt werden können und mithilfe einer datengetriebenen ABCD-Methode abgeschätzt werden. Die vorgestellte Analyse findet keine Hinweise für langlebige Teilchen dieser Art, setzt aber obere Ausschlussgrenzen mit 95 % CL auf die möglichen Zerfallsbreiten. Die bisherigen besten Ausschlussgrenzen werden um einen Faktor von 2 bis 6 verbessert, je nach Masse und Lebenszeit des spezifischen langlebigen Teilchens. Die zweite Analyse ist eine Suche nach langlebigen schweren neutralen Leptonen (HNL), welche eine Masse zwischen 1 und 3.5 GeV und Lebenszeiten zwischen 1 mm und 10 m haben. Diese HNLs können sowohl Dirac- als auch Majorana-Teilchen sein, wobei sie in beiden Fällen in ein Lepton und ein hadronisch zerfallendes W-Boson zerfallen. Hierbei entsteht ein hadronischer Teilchenschauer in den Muondetektoren, wobei dies wiederum mit einem fehlenden Transversalimpuls in der selben Richtung im Detektor einhergeht. Zusätzlich wird ein isoliertes Lepton auf der gegenüberliegenden Seite des Detektors erwartet. Die Untergrundprozesse sind hierbei wieder pileup, aber auch der Z → 𝜇𝜇 Prozess, falls eines der beiden Muonen Bremsstrahlung abgibt. Beide Prozesse werden mithilfe einer datengetriebenen ABCD-Methode abgeschätzt. Die Analyse findet keinen Hinweise für HNLs, kann aber eine obere Ausschlussgrenze mit 95 % CL für Mischungswinkel setzen. Die bisherigen besten Ausschlussgrenzen werden für HNL Massen zwischen 1.9 und 3.3 GeV, je nach Lepton-Flavor, übertroffen.