Präzisionssuchen nach neuer Physik mit geboosteten Bosonen kombiniert

• Antragsteller: Dr. Andreas Hinzmann
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 312958277

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der Run2 des Large Hadron Collider (LHC) mit einer Proton-Proton Schwerpunktsenergie von 13 TeV ermöglicht es die Paarproduktion von elektroschwachen Bosonen erstmals bei invarianten Massen von mehreren TeV zu studieren. Erhöhungen des Wirkungsquerschnitt der Bosonpaarproduktion sind typische Hinweise auf Theorien jenseits des Standardmodells (BSM) wie Modelle mit Extradimensionen oder Composite Higgs Boson, die mögliche Lösungen für das Hierarchieproblem liefern. Die experimentelle Signatur von Bosonpaarproduction mit hoher invarianter Masse stellt eine besondere Herausforderung dar, weil W, Z und Higgs Bosonen überwiegend in ein Quarkpaar zerfallen, das einen hochenergetischen (Lorentz-Boost) Teilchenjet bildet, dessen Struktur aufgelöst werden muss, um seinen Ursprung zu identifizieren. Die experimentellen Methoden zur Identifikation solcher geboosteten Bosonen mit dem CMS-Experiment wurden in diesem Projekt signifikant weiterentwickelt, einschließlich Techniken zur Unterdrückung von zusätzlichen Kollisionen im gleichen Bunch-Crossing (Pileup) und verbesserten Identifikationsalgorithmen basierend auf Machine-Learning-Methoden. Des Weiteren wurden neue Messungen der Jet-Substruktur durchgeführt, um die dominierende Unsicherheit bei der Identifikation von geboosteten Bosonen zu reduzieren und Simulationen zu verbessern. Hinweise auf eine Boson-Paar-Resonanz bei einer Masse von etwa 2 TeV bei ATLAS und CMS im LHC Run1 wurden nicht bestätigt, wobei schwere Vector-Triplet-Resonanzen mit Massen bis zu 2.4 TeV mit 95% Konfidenzlevel ausgeschlossen wurden. Mit größeren Datensätzen von 36/fb, 78/fb und 138/fb, sowie Verbesserung in Analyse-Methoden, konnte diese Massengrenze auf bis zu 4.8 TeV erweitert werden. Zugleich wurde das Massenspektrum von WW und WZ Bosonpaarproduktion erstmals bis zu 4 TeV auf nicht-resonante Abweichungen untersucht. Diese Analyse ergab die stärksten Ausschlussgrenzen auf anomale WWγ- and WWZ-Kopplungen, Indikatoren für BSM-Physik bei hohen Energien, z.B. Modifikationen des Higgs Sektors. Bosonpaarproduktion bleibt eine Signatur mit hohem Entdeckungspotenzial im Run3 des LHC und dem nachfolgenden HL-LHC mit einem 2- bzw. 20-fach größeren erwarteten Kollisionensdatensatz. Es konnte gezeigt werden, dass die geplanten Upgrades von CMS für den HL-LHC die Performance für Jet Substruktur bei den erwarteten Konditionen mit bis zu 200 Pileup-Interaktionen, erhalten bzw. verbessert werden. Der Einfluss von neuen Detektorkonzepten auf Jet-Substruktur-Performance wurde an zukünftigen Collidern über den HL-LHC hinaus studiert, wobei die Entwicklung hoch-granularer Kalorimeter motiviert wurde.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Measurement of jet charge in dijet events froms=8  TeVppcollisions with the ATLAS detector. Physical Review D, 93(5).
  Aad, G.; Abbott, B.; Abdallah, J.; Abdinov, O.; Aben, R.; Abolins, M.; AbouZeid, O. S.; Abramowicz, H.; Abreu, H.; Abreu, R.; Abulaiti, Y.; Acharya, B. S.; Adamczyk, L.; Adams, D. L.; Adelman, J.; Adomeit, S.; Adye, T.; Affolder, A. A.; Agatonovic-Jovin, T. ... & Zwalinski, L.
  
• Combination of searches for heavy resonances decaying to WW, WZ, ZZ, WH, and ZH boson pairs in proton–proton collisions at s=8 and 13 TeV. Physics Letters B, 774, 533-558.
  Sirunyan, A.M.; Tumasyan, A.; Adam, W.; Asilar, E.; Bergauer, T.; Brandstetter, J.; Brondolin, E.; Dragicevic, M.; Erö, J.; Flechl, M.; Friedl, M.; Frühwirth, R.; Ghete, V.M.; Hartl, C.; Hörmann, N.; Hrubec, J.; Jeitler, M.; König, A.; Krätschmer, I. ... & Woods, N.
  
• “CMS expands scope of dark-matter search in dijet channel”, CERN COURIER 11.08.2017
  CMS Collaboration
  
• “Jet algorithms performance in 13 TeV data”, CMS Physics Analysis Summary CMS-PAS-JME-16-003 (2017)
  CMS Collaboration
  
• “The Phase-2 Upgrade of the CMS Endcap Calorimeter”, CMS Technical Design Report CMS-TDR-019 (2017)
  CMS Collaboration
  
• “The Phase-2 Upgrade of the CMS Tracker”, CMS Technical Design Report CMS-TDR-014 (2017)
  CMS Collaboration
  
• Search for massive resonances decaying into WW , WZ , ZZ , qW , and qZ with dijet final states at s=13  TeV. Physical Review D, 97(7).
  Sirunyan, A. M.; Tumasyan, A.; Adam, W.; Ambrogi, F.; Asilar, E.; Bergauer, T.; Brandstetter, J.; Brondolin, E.; Dragicevic, M.; Erö, J.; Flechl, M.; Friedl, M.; Frühwirth, R.; Ghete, V. M.; Grossmann, J.; Hrubec, J.; Jeitler, M.; König, A.; Krammer, N. ... & N. Woods, N.
  
• The importance of calorimetry for highly-boosted jet substructure. Journal of Instrumentation, 13(01), T01003-T01003.
  Coleman, E.; Freytsis, M.; Hinzmann, A.; Narain, M.; Thaler, J.; Tran, N. & Vernieri, C.
  
• Vector boson scattering: Recent experimental and theory developments. Reviews in Physics, 3, 44-63.
  Alessandro Ballestrero; Riccardo Bellan; Benedikt Biedermann; Carsten Bittrich; Ilaria Brivio; Andrea Cardini; Guillelmo Gomez-Ceballos; Claude Charlot; Vitaliano Ciulli; Roberto Covarelli; Javier Cuevas; Ansgar Denner; Stefan Dittmaier; Lucia Di Ciaccio; Senka Duric; Lauwers E. Jasper Gerard; Sinead Farrington; Pamela Ferrari; Pedro Ferreira Silva ... & Dieter Zeppenfeld
  
• Jet substructure at the Large Hadron Collider. Reviews of Modern Physics, 91(4).
  Kogler, Roman; Nachman, Benjamin; Schmidt, Alexander; Asquith, Lily; Winkels, Emma; Campanelli, Mario; Delitzsch, Chris; Harris, Philip; Hinzmann, Andreas; Kar, Deepak; McLean, Christine; Pilot, Justin; Takahashi, Yuta; Tran, Nhan; Vernieri, Caterina & Vos, Marcel
  
• Prospects for a measurement of the W boson mass in the all-jets final state at hadron colliders. Journal of High Energy Physics, 2019(2).
  Freytsis, Marat; Harris, Philip; Hinzmann, Andreas; Moult, Ian; Tran, Nhan & Vernieri, Caterina
  
• Search for a heavy resonance decaying to a top quark and a vector-like top quark in the lepton + jets final state in pp collisions at $$\sqrt{s} = 13\,\text {TeV} $$ s = 13 TeV. The European Physical Journal C, 79(3).
  Sirunyan, A. M.; Tumasyan, A.; Adam, W.; Ambrogi, F.; Asilar, E.; Bergauer, T.; Brandstetter, J.; Dragicevic, M.; Erö, J.; Del Valle, A. Escalante; Flechl, M.; Frühwirth, R.; Ghete, V. M.; Hrubec, J.; Jeitler, M.; Krammer, N.; Krätschmer, I.; Liko, D. ... & Woods, N.
  
• Search for anomalous triple gauge couplings in WW and WZ production in lepton + jet events in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV. Journal of High Energy Physics, 2019(12).
  Sirunyan, A. M.; Tumasyan, A.; Adam, W.; Ambrogi, F.; Bergauer, T.; Brandstetter, J.; Dragicevic, M.; Erö, J.; Escalante, Del Valle A.; Flechl, M.; Frühwirth, R.; Jeitler, M.; Krammer, N.; Krätschmer, I.; Liko, D.; Madlener, T.; Mikulec, I.; Rad, N. ... & Woods, N.
  
• “CMS ECAL performance with 2017 data”, CMS Detector Performance Summary CMS-DP-2019-029 (2019)
  CMS Collaboration
  
• “How CMS weeds out particles that pile up”, CMS Physics Briefings 12.09.2019
  CMS Collaboration
  
• “Tracker Performance in 2017 Legacy processing”, CMS Detector Performance Summary CMS-DP-2019-027 (2019)
  CMS Collaboration
  
• "W and top tagging scale factors for Run 2 data”, CMS Detector Performance Summary CMS-DP-2020-025 (2020)
  CMS Collaboration
  
• A multi-dimensional search for new heavy resonances decaying to boosted $$\text{ W }{}{}$$ $$\text{ W }{}{}$$ , $$\text{ W }{}{}$$ $$\text{ Z }{}{}$$ , or $$\text{ Z }{}{}$$ $$\text{ Z }{}{}$$ boson pairs in the dijet final state at 13 $$\text {Te}\text {V}$$. The European Physical Journal C, 80(3).
  Sirunyan, A. M.; Tumasyan, A.; Adam, W.; Ambrogi, F.; Bergauer, T.; Brandstetter, J.; Dragicevic, M.; Erö, J.; Del Valle, A. Escalante; Flechl, M.; Frühwirth, R.; Jeitler, M.; Krammer, N.; Krätschmer, I.; Liko, D.; Madlener, T.; Mikulec, I.; Rad, N. ... & Woods, N.
  
• Identification of heavy, energetic, hadronically decaying particles using machine-learning techniques. Journal of Instrumentation, 15(06), P06005-P06005.
  Sirunyan, A.M.; Tumasyan, A.; Adam, W.; Ambrogi, F.; Bergauer, T.; Dragicevic, M.; Erö, J.; Valle, A. Escalante Del; Flechl, M.; Frühwirth, R.; Jeitler, M.; Krammer, N.; Krätschmer, I.; Liko, D.; Madlener, T.; Mikulec, I.; Rad, N.; Schieck, J.; Schöfbeck, R. ... & Golf, F.
  
• Pileup mitigation at CMS in 13 TeV data. Journal of Instrumentation, 15(09), P09018-P09018.
  Sirunyan, A.M.; Tumasyan, A.; Adam, W.; Ambrogi, F.; Bergauer, T.; Dragicevic, M.; Erö, J.; Valle, A. Escalante Del; Flechl, M.; Frühwirth, R.; Jeitler, M.; Krammer, N.; Krätschmer, I.; Liko, D.; Madlener, T.; Mikulec, I.; Rad, N.; Schieck, J.; Schöfbeck, R. ... & Finco, L.
  
• “Performance of the pile up jet identification in CMS for Run 2”, CMS Detector Performance Summary CMS-DP-2020-020 (2020)
  CMS Collaboration
  
• “Phase-I Pixel ROC Thresholds and DC-DC Converter Characterization in 2018”, CMS Detector Performance Summary CMS-DP-2020-005 (2020)
  CMS Collaboration
  
• “Pixel Charge Profiles in Run-2 Data and Simulation”, CMS Detector Performance Summary CMS-DP-2020-026 (2020)
  CMS Collaboration
  
• „Identification of highly Lorentz-boosted heavy particles using graph neural networks and new mass decorrelation techniques“, CMS Detector Performance Summary CMS-DP-2020-002 (2020)
  CMS Collaboration
  
• “Extraction and validation of a set of HERWIG 7 tunes from CMS underlyingevent measurements”, CMS Physics Analysis Summary CMS-PAS-GEN-19-001
  CMS Collaboration
  
• “Jet energy scale and resolution measurement with Run~2 Legacy Data Collected by CMS at 13~TeV”, CMS Detector Performance Summary CMS-DP-2021-033 (2021)
  MS Collaboration
  
• “Pileup-per-particle identification: optimisation for Run 2 Legacy and beyond”, CMS Detector Performance Summary CMS-DP-2021-001 (2021)
  CMS Collaboration
  
• Jets and Jet Substructure at Future Colliders. Frontiers in Physics, 10.
  Bonilla, Johan; Chachamis, Grigorios; Dillon, Barry M.; Chekanov, Sergei V.; Erbacher, Robin; Gouskos, Loukas; Hinzmann, Andreas; Höche, Stefan; Huffman, B. Todd; Kotwal, Ashutosh. V.; Kar, Deepak; Kogler, Roman; Lange, Clemens; LeBlanc, Matt; Lemmon, Roy; McLean, Christine; Nachman, Benjamin; Neubauer, Mark S.; Plehn, Tilman ... & Yu, Shin-Shan
  
• Position resolution with 25 µm pitch pixel sensors before and after irradiation. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 1021, 165933.
  Zoi, I.; Ebrahimi, A.; Feindt, F.; Garutti, E.; Gunnellini, P.; Hinzmann, A.; Niemeyer, C.; Pitzl, D.; Schwandt, J. & Steinbrück, G.
  
• Study of quark and gluon jet substructure in Z+jet and dijet events from pp collisions. Journal of High Energy Physics, 2022(1).
  Tumasyan, A.; Adam, W.; Andrejkovic, J. W.; Bergauer, T.; Chatterjee, S.; Dragicevic, M.; Escalante, Del Valle A.; Frühwirth, R.; Jeitler, M.; Krammer, N.; Lechner, L.; Liko, D.; Mikulec, I.; Paulitsch, P.; Pitters, F. M.; Schieck, J.; Schöfbeck, R.; Spanring, M. ... & Vetens, W.
  
• “Two collisions for the price of one”, CMS Physics Briefings 7.06.2022
  CMS Collaboration
  
• “Vierblättriger Vektorboson-Klee”, Physik Journal Oktober 2022
  A. Hinzmann; A. Huss & K. Lohwasser
  
• “W, Z, and Higgs bosons as portals to exotic physics”, CMS Physics Briefings 13.05.2022
  CMS Collaboration
  
• Observation of Same-Sign WW Production from Double Parton Scattering in Proton-Proton Collisions at s=13  TeV. Physical Review Letters, 131(9).
  Tumasyan, A.; Adam, W.; Andrejkovic, J. W.; Bergauer, T.; Chatterjee, S.; Damanakis, K.; Dragicevic, M.; Escalante, Del Valle A.; Hussain, P. S.; Jeitler, M.; Krammer, N.; Lechner, L.; Liko, D.; Mikulec, I.; Paulitsch, P.; Pitters, F. M.; Schieck, J.; Schöfbeck, R.; Schwarz, D. ... & Templ, S.
  
• Search for new heavy resonances decaying to WW, WZ, ZZ, WH, or ZH boson pairs in the all-jets final state in proton-proton collisions at s=13TeV. Physics Letters B, 844, 137813.
  Tumasyan, A.; Adam, W.; Andrejkovic, J.W.; Bergauer, T.; Chatterjee, S.; Damanakis, K.; Dragicevic, M.; Escalante, Del Valle A.; Hussain, P.S.; Jeitler, M.; Krammer, N.; Lechner, L.; Liko, D.; Mikulec, I.; Paulitsch, P.; Pitters, F.M.; Schieck, J.; Schöfbeck, R.; Schwarz, D. ... & Zhokin, A.
  
• “Calibration of the Jet Mass Scale using boosted W bosons and top quarks”, CMS Detector Performance Summary, CMS-DP-2023-044, (2023)
  CMS Collaboration