Determination of Supersymmetric Particle Masses at the LHC using Kinematic Fits

Abstract

Supersymmetry is a theoretically well-motivated extension of the currently established model of particle physics. It introduces a new symmetry between bosonic and fermionic fields and predicts a large number of new particles. If supersymmetry is discovered at the LHC, a measurement of the new particle masses will be an important contribution to the determination of the fundamental model parameters. In this thesis a novel method for mass determination is presented, which is based on the assumption of R-parity conserving supersymmetry and makes use of events with identical decay topologies. Combining a mass scan with an event-by-event kinematic fit a complete event reconstruction is possible despite two undetected lightest supersymmetric particles, and a likelihood map for the mass space is obtained. The method is demonstrated for the mSUGRA benchmark point SPS1a and is shown to work in principle. A weakness concerning the measurement of the undetected particle at the end of the decay chain is observed, which is related to the measurement resolution of particles in the detector. Additional information from the measurement of a kinematic endpoint is applied to improve the determination of the lightest particle mass. If backgrounds are small a precise mass measurement is feasible with this method. A large amount of LHC data is required to isolate sufficient events with a suitable topology.

Supersymmetrie ist eine theoretisch gut motivierte Erweiterung des aktuellen Modells der Teilchenphysik und führt eine neue Symmetrie zwischen bosonischen und fermionischen Feldern ein, welche zur Vorhersage vieler neuer Teilchen führt. Im Falle einer Entdeckung von Supersymmetrie am LHC wird die Massenmessung der neuen Teilchen einen wichtigen Beitrag zur Bestimmung der grundlegenden Modellparameter bilden.

In dieser Arbeit wird eine neue Methode zur Bestimmung dieser Teilchenmassen präsentiert, welche auf der Annahme von R-Paritäts erhaltender Supersymmetrie und der Analyse von Ereignissen mit identischen Zerfallskaskaden beruht. Ein Scan über mögliche Teilchenmassen wird mit einem ereignisweisen kinematischen Fit kombiniert, wodurch eine vollständige Ereignisrekonstruktion, trotz zweier ungemessener Teilchen, möglich wird und eine Likelihoodverteilung für die Massen erstellt werden kann.

Die Methode wird am Beispiel des mSUGRA Benchmarkpunktes SPS1a demonstriert und ihre prinzipielle Funktionstüchtigkeit gezeigt. Eine Schwäche in der Messung des ungemessenen Teilchens am Ende der Kaskade wurde festgestellt, welche mit der Messauflösung von Teilchen im Detektor in Zusammenhang steht. Zusätzliche Information aus der Messung eines kinematischen Endpunktes wird genutzt um die Bestimmung der leichtesten Masse zu verbessern. Eine präzise Massenmessung ist möglich, falls der Untergrund klein ist. Es ist eine große Menge an LHC Daten notwendig, um genügend Ereignisse mit geeigneter Zerfallstopologie zu isolieren.