Search for Long-Lived Particles at the LHC

Abstract

ABSTRACT: Given an observation of the Higgs boson with a mass of 125 GeV in the Large Hadron Collider (LHC) Run 1, a detailed study has been conducted on its properties, with numerous searches for new particles, resulting in no evidence of new Physics or significant deviations to predictions of the Standard Model (SM). Nonetheless, and despite the great success of the SM to describe an enormous range of physical phenomena; diverse theoretical considerations, such as challenges with SM to explain the mass of the Higgs boson taking into consideration its quantum corrections (hierarchy problem) motivate the search for Physics beyond the SM both by way of Run 2 LHC data analysis and of Run 3 in the period of high luminosity of the LHC. In this context, it is important to propose that the absence of evidence of Physics beyond the SM can be explained due to the fact that it manifests in way of less common signatures in the LHC, being one of the most attractive options its materialization by way of new displaced particles. The objective of this research is to study this type of searches where long lived particles disintegrate, opening the way to pairs of charged and displaced leptons (muons and electrons). The paper will focus on an ongoing advanced analysis of this type, which includes all Run 2 data of the LHC in the CMS experiment, with the purpose to explore the improvement of these searches in diverse situations. Diverse options can be explored: optimizations for signals with displacement not excessively preeminent, improvement of the efficiency of signal reconstruction or improvement of background estimations. The aspects in which this comes into play will depend primarily in the cumulative experience of research development at the start of the final Master project.

RESUMEN: Desde la observación del bosón de Higgs con una masa de 125 GeV en el Run 1 del Large Hadron Collider (LHC) se han estudiado en detalle sus propiedades y se han llevado a cabo numerosas búsquedas de nuevas partículas, sin encontrarse evidencias de nueva Física ni desviaciones significativas a las predicciones del Modelo Estándar (ME). Sin embargo y a pesar del enorme éxito del ME para describir un enorme rango de fenómenos físicos, diversas consideraciones teóricas, tales como los problemas del ME para explicar la masa del bosón de Higgs teniendo en cuenta las correcciones cuánticas a la misma (problema de jerarquía), motivan la búsqueda de Física más allá del ME tanto mediante el análisis de datos del Run 2 del LHC como en el futuro Run 3 y en el período de alta luminosidad del LHC. En este contexto, es importante plantearse que la ausencia de evidencias de Física más allá del Modelo Estándar puede deberse a que ésta se manifiesta en forma de signaturas menos habituales del LHC, siendo uno de las opciones más atractivas su materialización en forma de nuevas partículas desplazadas. El objetivo del presente trabajo es el estudio de este tipo de búsquedas donde las partículas de larga vida media se desintegran dando lugar a pares de leptones cargados (muones y electrones) desplazados. El trabajo se basará en un análisis en marcha y avanzado de este tipo, el cual emplea el total de datos del Run 2 del LHC en el experimento CMS, para explorar la mejora de estas búsquedas en diversas situaciones.Diversas opciones pueden ser exploradas: optimizaciones para señales con desplazamiento no excesivamente prominente,mejora de la eficiencia de reconstrucción de señales, o mejoras en la estimación de fondos. Los aspectos en los que se incidirá principalmente dependerán de la experiencia acumulada en el trabajo en desarrollo de inicio del proyecto de fin de Máster