Search for Dark Matter Produced in Association with Heavy Standard Model Particles at √s = 13TeV with the ATLAS Detector at the LHC

Abstract

Dark Matter composes a significant part of the Universe, while its physical natureremains unknown. This thesis presents two searches for Dark Matter produced inassociation with heavy Standard Model particles using pp collision data at a center-of-mass energy of √s=13 TeV recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. Moreover, jet mass scale calibrations for variable-radius calorimeter jets areperformed to improve the reconstruction performance of heavy particles in boosted event topologies. A data sample corresponding to an integrated luminosity of 36.1 fb−1is analyzed in the EmissT+V (hadronic) search, which selects processes with hadronic decays of W and Z bosons in association with large missing transverse energy. The EmissT+t ̄t (fully-hadronic) search is performed using 126.7 fb−1 of collision data and targets events containing fully-hadronically decaying top quark pairs and medium missing transverse energy. No significant excess over the Standard Model prediction is observed in both analyses. The results of the EmissT+V (hadronic) search are interpreted interms of constraints on the parameter space of spin-1 vector mediator simplified model and mediator masses of up to 650 GeV are excluded for Dark Matter masses of up to 250 GeV at 95% confidence level with a dark sector coupling of 1.0 and a coupling to Standard Model particles of 0.25. The results of the EmissT+t ̄t (fully-hadronic) search are interpreted in the framework of spin-0 mediator simplified models with unitary couplings. For scalar and pseudo-scalar mediators, masses below 190 GeV and 240 GeV are excluded assuming a Dark Matter mass of 1 GeV, respectively. The implications of these results are discussed and compared to results from current direct detection experiments.

Das Universum besteht zum großen Teil aus dunkler Materie, deren physikalische Grund-lagen unbekannt sind. Diese Arbeit präsentiert zwei Suchen nach dunkler Materie in Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von√s=13 TeV mit dem ATLAS-Experiment am Large Hadron Collider. Zudem wird die Massenkalibration von Kalorimeterjets mit variablem Radius präsentiert. Sie ermöglicht eine verbesserte Rekon-struktion schwerer Teilchen in kollimierten Topologien. Die EmissT+V-Suche selektiert Ereignisse mit hadronisch zerfallenden W- undZ-Bosonen sowie großem fehlenden Transversalimpuls aus einem Datensatz von 36.1 fb−1. Für die EmissT+t ̄t-Suche werden aus einem größeren Datensatz von 126.7 fb−1E reignisse mit vollhadronisch zerfallenden Top-Quark-Paaren und mittlerem fehlenden Transversalimpuls ausgewählt. In keiner der Analysen wird eine signifikante Abweichung von der Standardmodellvorher-sage beobachtet. Die Resultate der EmissT+V-Suche werden in einem vereinfachten Spin-1-Vektor-Mediator-Modell interpretiert, wobei Mediatormassen kleiner als 650 GeV bei dunkle Materie mit Massen kleiner als 250 GeV mit 95-prozentiger Sicherheit ausgeschlossen werden können. Hierbei wird angenommen, dass die Kopplungsstärke zum dunklen Sektor 1 und zu Standardmodellteilchen 0.25 beträgt. Die EmissT+t ̄t-Suche wird im Rahmen vereinfachter Spin-0-Mediator-Modelle mit unitären Kopplungen interpretiert. Für dunkle Materie mit einer Masse von 1 GeV können skalare und pseudoskalare Mediatoren leichter als 190 GeV bzw. 240 GeV mit 95-prozentiger Sicherheit ausgeschlossen werden. Abschließend werden die Konsequenzen dieser Ergebnisse erörtert und mit aktuellen Resultaten direkter Suchen nach dunkler Materie verglichen.