From Detector Development to New Physics Searches: CMS HGCAL Validation and Search for Top-Philic Resonances Using Variable-Radius Jet Tagging

Abstract

Diese Dissertation umfasst zwei Forschungsarbeiten, die im Rahmen des CMS-Experiments am Large Hadron Collider (LHC) des CERN durchgeführt wurden: die Systemvalidierung des Szintillatorteils des High Granularity Calorimeter (HGCAL) sowie die Suche nach einer schweren Resonanz, die an Top-Quarks koppelt und in Assoziation mit Top-Quark-Paaren in Proton-Proton-Kollisionen bei Schwerpunktsenergien von 13 und 13.6 TeV produziert wird.

Für die Phase des High-Luminosity LHC (HL-LHC) werden die Endkappen-Kalorimeter des CMS-Detektors durch das HGCAL ersetzt, ein hochpräzises Sampling-Kalorimeter, das entwickelt wurde, um den extremen Strahlungs- und Pileup-Bedingungen des HL-LHC standzuhalten. In Bereichen mit moderater Strahlungsbelastung verwendet der hadronische Teil Szintillatorkacheln, die mit Silizium-Photomultipliern (SiPM-on-Tile) als aktive Materialien gekoppelt sind. Jedes HGCAL-Tilemodul, die grundlegende Detektoreinheit dieser Region, enthält bis zu 144 SiPM-on-Tile-Kanäle, die von spezieller Front-End-Elektronik ausgelesen werden. Die Leistungsfähigkeit mehrerer Tilemodule wurde während Teststrahlkampagnen an der DESY-II-Anlage mit 3 GeV-Elektronenstrahlen untersucht. Die Messungen dienen zur Validierung der Antwort und Gleichmäßigkeit der Detektorkomponenten und bestätigen, dass diese die Konstruktionsspezifikationen für den HL-LHC-Betrieb erfüllen.

Im zweiten Teil der Arbeit wird eine Suche nach einer neuen schweren Resonanz vorgestellt, die ausschließlich an Top-Quarks koppelt und in Assoziation mit einem Top-Quark-Paar produziert wird. Die Analyse basiert auf Proton-Proton-Kollisionsdaten, die mit dem CMS-Detektor bei Schwerpunktsenergien von 13 TeV (2016–2018) und 13.6 TeV (2022) aufgezeichnet wurden. Die Suche richtet sich auf Endzustände mit zwei entgegengesetzt geladenen Leptonen aus den W-Boson-Zerfällen der nicht-resonanten Top-Quarks sowie zwei hochener-getischen Jets, die die hadronisch zerfallenden resonanten Top-Quarks rekonstruieren. In diesem Szenario werden die beiden Top-Quarks aus dem Resonanzzerfall erwartungsgemäß stark Lorentz-geboostet. Ihre hadronischen Zerfälle werden mit Jets rekonstruiert, die mit einem variablen Radius geclustert und mit einem speziellen, auf einem Boosted-Decision-Tree (BDT) basierenden Top-Quark-Tagger identifiziert werden. Ereignisse werden in einem Endzustand mit entgegengesetzt geladenen Leptonen und b-getaggten Jets ausgewählt, und die Resonanzmasse wird aus Paaren von getaggten Top-Jets rekonstruiert. Die Analyse untersucht Resonanzmassen zwischen 500 GeV und 4 TeV und sucht nach lokalen Überschüssen im rekonstruierten Massenspektrum. Die Ergebnisse werden im Rahmen von Modellen mit skalarer und pseudoskalarer Resonanz interpretiert, die in Assoziation mit Top-Quarks produziert werden, und stellen die erste derartige Interpretation mit CMS-Daten dar.

This thesis presents two research works carried out within the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment at the CERN Large Hadron Collider (LHC): the system validation of the scintillator section of the High Granularity Calorimeter (HGCAL), and a search for a heavy resonance coupling to top quarks and produced in association with top quark pairs in proton–proton collisions at center-of-mass energies of 13 and 13.6~TeV.

For the High-Luminosity LHC (HL-LHC) phase, the endcap calorimeters of CMS will be replaced by the HGCAL, a high-precision sampling calorimeter designed to cope with the extreme radiation and pileup conditions expected at the HL-LHC. In regions where radiation levels remain moderate, the hadronic section employs scintillator tiles coupled to silicon photomultipliers (SiPM-on-tile) as active materials. Each HGCAL tilemodule, the basic detector unit of this region, accommodates up to 144 SiPM-on-tile channels read out by dedicated front-end electronics. The performance of several tilemodules was evaluated during test-beam campaigns at the DESY-II facility using 3~GeV electron beams. The measurements serve to validate the response and uniformity of the detector components and to confirm that they meet the design specifications for HL-LHC operation.

A search for a new heavy resonance that couples exclusively to top quarks and is produced in association with a top quark pair is presented. The analysis uses proton–proton collision data collected with the CMS detector at center-of-mass energies of 13~TeV (2016–2018) and 13.6~TeV (2022). The search targets the final state with two oppositely charged leptons from the $W$ boson decays of the non-resonant top quarks, and two high-energy jets reconstructing the hadronically decaying resonant top quarks. In this scenario, the two top quarks from the resonance decay are expected to be highly Lorentz-boosted. Their hadronic decays are reconstructed using jets clustered with a variable-radius algorithm and identified with a dedicated top quark tagger based on a boosted decision tree (BDT). Events are selected in a final state containing opposite-sign leptons and $b$-tagged jets, and the resonance mass is reconstructed from pairs of tagged top jets. The analysis probes resonance masses between 500~GeV and 4~TeV and searches for local excesses in the reconstructed mass spectrum. The results are interpreted in the context of models with vector-like, scalar and pseudoscalar resonances produced in association with top quarks, representing the first such interpretation performed with CMS data.