Search for beyond Standard Model physics with same-sign dileptons

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Frågorna som partikelfysiker ställer är samma frågorna som folk har ställt under hela mänsklighetens tid på jorden, nämligen: Var kommer vi från? Vad är det som bygger upp det universum som vi ser? Hur håller allting ihop? Fysiker, historiens stora tänkare och hobbyfilosofen i pubben har alla funderat över de här frågorna (vissa mer än andra). Partikelfysiker försöker hitta svaret från perspektivet av universums minsta beståndsdelar, partiklar. Under de senaste hundra åren ha vi förstått mer och mer av de små partiklarna som bygger upp allt vi ser från igelkottar till planeter, hur de interegarar med varandra och vilka krafter som håller universum samman. Denna skattkista av kunskap, experiment och teori heter Standardmodellen. Standardmodellen (SM) har varit grymt bra på att förutsäga och förklara i princip allting som vi ser från experiment. Upptäckten av Higgsbosonen var den sista delen av pusslet. SM är inte det sista kapitlet i vår historia. Det vet vi fysiker väl, oavsett hur vacker och kraftfull den är, så vet vi att den inte är komplett. Det finns vissa frågor som skrika efter att bli besvarade: • Hur ska vi förena gravitationskraften med de andra krafterna i Standardmodellen? (Gravitationskraftens styrka är enormt mycket mindre än de andra tre krafterna: Den svaga, starka och elektromagnetiska. Därför är den försummad i SM.) • Varför har Higgsbosonen den massa som den har ? (Hierarkiproblemet) • Varför har vi bara tre generationer av partiklar? Varför har partiklarna den massa och de kopplingskonstanter som vi observerar? • Varför finns det mer materia än antimateria i universum? • Hur passar mörk materia in i SM? • Finns det någon energiskala där alla krafter förenas? Det finns oändligt många olika teorier som försöker svara på de här frågorna. Alla de teorier som försöker utöka och bygga på SM kallas för Beyond Standard Model (BSM) fysik. Vissa modeller löser mer än en av frågorna men nästan alla leder till flera nya partiklar eller krafter som borde kunna observeras direkt eller indirekt i experiment. Ett experiment som försöker besvara vilka BSM-modeller som är rätt (kanske ingen) är ATLAS-detektorn vid Large Hadron Collider (LHC). I princip är experimentet väldigt enkelt. Kollidera två protoner vid otroligt hög energi (så att de färdas nära ljusets hastighet) i mitten av ATLAS- detektorn. Einstein visade under tidigt 1900-tal hur energi och materia är releterade, så tanken med högenergikollisioner är att ju högre energi desto mer massiva partikler kan skapas. Förhoppningsvis kan vi observera en ny partikel eller kraft som en eller flera av BSM-modellerna förutsäger. LHC är begränsad av sin maxenergi (14 TeV) vilket betyder att den bara är känslig för de BSM-modeller som förutsäger partikla eller krafter lägre än denna energi. Det finns många sätt att observera dessa hypotetiska partiklar i vår ATLAS-detektor. De absolut flesta sönderfaller till lättare partiklar som existerar i SM, till exempel elektroner och my- oner. Man kan konstruera en specifik analys för att leta efter en bestämd modell eller designera en analys som letar efter en stor mängd av olika modeller. I den här avhan- dlingen har den senare metoden använts. Många BSM-modeller förutspår partiklar som sonderfaller till par av leptoner med samma laddning (e±e± , e± μ± , μ±μ±). Dock finns det inte så många processer i SM som leder till sådana par. Följaktligen finns det en bra chans att observera ny fysik om den existerar. Så min förskningsuppgift var att leta igenom mil- jarder av kollisioner för att hitta de kollisioner där par av leptoner med samma laddning observerades i detektorn. Därefter kan man uppskatta hur många sådana kollisioner man förväntar sig från processer i SM och jämföra det med hur många kollisioner man faktiskt observerar. För varje leptonpar kan man rekonstruera massan av moderpartikeln. Nu kan man undersöka i olika massregimer om man har observerat en statistiskt signifikant skill- nad mellan Standardmodellens förutsägelse och datan från ATLAS. Som jag kommer att visa i det här avhandlingen, ingen statistiskt signifikant skilljnad observerats mellan Standardmodellens förutsägelse och experimentell data. Det betyder att man, med en viss sannolikhet, kan säga att ingen ny fysik som leder till par av leptoner med samma laddning existerar under en viss energi. Så även om ingen ny fysik upptäcktes tack vara min förskningsuppgift så har vi lyckats begränsa eller utsluta vissa teorier och däremed tagit ett litet steg närmare upptäckten av ny fysik.