Study of dark matter production models in the CMS experiment at the LHC

Abstract

En este trabajo se ha realizado un estudio de un modelo de producción de materia oscura basado en un mecanismo de Higgs oscuro. El modelo introduce tres nuevas partículas: un bosón de Higgs oscuro (s), un nuevo bosón mediador en el sector oscuro (Z′) y una partícula de materia oscura fermiónica (χ). Para estudiar el modelo en profundidad, se ha realizado generación Monte Carlo con MadGraph. Los datos generados han sido procesados y analizados con ROOT y PyROOT, lo que ha permitido el análisis de los canales principales de desintegración del Higgs oscuro, identificando el canal s → W+W− → l+νll− ¯ νl, como el más favorable. Se ha analizado en profundidad el canal definiendo variables para diferenciar masas de las partículas introducidas y estudiando la fenomenología del modelo. Gracias a esto, se han identificado dos regímenes distintos en función de la masa del Higgs oscuro: bajo y alto. El fondo ha sido estimado mediante generaciones Monte Carlo de eventos con productos finales similares. Por último, tras filtrar el fondo con cortes basados en estimadores de significancia, se ha estimado la eficiencia de selección de cada señal. A excepción de aquellas con mZ′ < 500 GeV en el régimen de ms alto, debido a su baja sección eficaz. Sin embargo, para el resto de señales, se ha realizado un análisis estadístico mediante el método CLs, obteniendo upper limits en las secciones eficaces con un 95% de nivel de confianza en función de mZ′. Como conclusión, se ha determinado que la cota superior de la sección eficaz de producción del proceso es del orden de cien veces menor que la sección eficaz de producción más pequeña observada en el CMS, lo que indica una necesidad de mayor sensibilidad para la comprobación experimental del modelo.

In this work, a study of a dark matter (DM) production model based on a dark Higgs mechanism has been carried out. The model introduces three new particles: a dark Higgs boson (s), a new mediator boson in the dark sector (Z′), and a fermionic DM particle (χ). To study the model in detail, Monte Carlo generations were performed using MadGraph. The generated data was processed and analyzed using ROOT and PyROOT, permitting the analysis of the main dark Higgs decay channels, identifying the channel s → W+W− → l+νl, l−￣νl as the most favorable. The channel has been analyzed defining variables to discriminate between different masses of the dark sector and studying the model’s phenomenology. As a result, two regimes were identified based on the mass of the dark Higgs: low and high. The background was estimated from Monte Carlo generations of Standard Model processes with similar final states. Finally, after suppressing the background using significance based selection cuts, the signal selection efficiency was estimated for each signal, except for cases with mZ′ < 500 GeV in the high-ms regime due to their low cross section. However, for the remaining signal points, a statistical analysis was carried out using the CLs method, estimating upper limits on the cross section at a 95% confidence level as a function of mZ′. In conclusion, it has been determined that the upper bound on the production cross section of the process is about one hundred times smaller than the smallest production cross section ever recorded by CMS, indicating the need for greater sensitivity to experimentality test the model.