Kurzfassung
In dieser Arbeit wird eine Suche nach supersymmetrischen Teilchen in Proton-Proton- Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV vorgestellt. Die Daten wurden vom CMS-Experiment während der zweiten Betriebsperiode des LHC aufgenommen und entsprechen einer integrierten Luminosität von 2.3 fb−1. Die untersuchte Signatur ist die Paarproduktion von Gluinos, der Superpartner des Gluons, wobei diese jeweils in ein Top- Antitop-Quark-Paar zerfallen, sowie in ein Neutralino, das leichteste supersymmetrische Teilchen.
Da die Wahrscheinlichkeit, dass nur ein W-Boson aus dem Zerfall der vier Top-Quarks in ein Lepton-Neutrino-Paar zerfällt, bei rund 40% liegt, werden Ereignisse mit einem isolierten Lepton (Elektron oder Myon) selektiert, das von mehreren hadronischen Jets begleitet ist. Mindestens ein Jet muss als b-Quark-Jet identifiziert sein.
Die Suchbereiche, in denen ein höherer Signalanteil erwartet wird, werden mit Hilfe des Azimuthwinkels zwischen dem Lepton und der Summe aus Leptonimpuls und dem fehlenden Transversalimpuls definiert. Der Untergrund durch Prozesse des Standardmodells liegt typischerweise bei kleinen Winkeln, während die untersuchten supersymmetrischen Signale gleichmässig über dem Winkel verteilt sind.
Für verschiedene Szenarien bezüglich der Masse der gesuchten supersymmetrischen Teilchen kann die Empfindlichkeit durch Definition von mehreren Suchkategorien erhöht werden. Dazu werden die Jet- und b-Quark-Jetmultiplizität benutzt, sowie verschiedene Variablen, die ein Maß für die leptonische und hadronische Aktivität im Ereignis sind. Ver- wendet werden hierzu die skalare Summe der Jet-Transversalimpulse, sowie die Summe aus fehlendem Transversalimpuls und dem Transversalimpuls des Leptons.
Der zu erwartende Standardmodelluntergrund wird aus den Daten abgeschätzt. Hierzu werden Kontrollregionen definiert, in denen Untergrundprozesse überwiegen und Seitenbänder mit wenigen Jets werden verwendet, um die Transferfaktoren zu bestimmen, die das Verhältnis von Signal- zu Kontrollregion beschreiben. Dabei werden Beiträge aus Multijetereignissen, die durch falsch identifizierte Leptonen entstehen, berücksichtigt.
Es wird keine signifikante Abweichung von dem abgeschätzten Standardmodelluntergrund beobachtet. Dieses Ergebnis wird im Rahmen von sogenannten vereinfachten Modellen, entsprechend der oben genannten Signalsignatur, interpretiert, was in Ausschlussgrenzen für bestimmte Gluino-Neutralino-Massenszenarien resultiert. Für leichte Neutralinos werden Gluinos unter 1575 GeV ausgeschlossen, während für Szenarien mit niedriger Neutralino-Gluino-Massendifferenz Neutralinos bis 850 GeV ausgeschlossen werden. Dies erweitert die in der ersten LHC Betriebsperiode erhaltenen Ausschlussgrenzen um etwa 200 und 250 GeV.
Darüber hinaus wird das Upgrade des Auslesesystems des äußeren CMS-Hadronkalorimeter mit Silizium-Photomultipliern vorgestellt. Die entsprechende Motivation sowie die Inbetriebnahme der neuen Hardware werden beschrieben und die erste Energiekalibrierung mit kosmischen Myonen wird durchgeführt.
A search for supersymmetric particles in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV is presented in this thesis. The data were recorded by the CMS experiment during Run 2 of the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 2.3 fb−1. The signal signature comprises pair produced gluon superpartners, gluinos, decaying each to a top- antitop quark pair and a neutralino – the lightest supersymmetric particle. Since the probability, that only one W boson from the four initial top-quarks decays to a lepton-neutrino pair, is about 40%, events with a single isolated lepton, electron or muon, accompanied by several high-energy hadronic jets and at least one b-quark tagged jet are selected. Signal-enriched search regions are defined based on the azimuthal angle between the lepton and four-vector sum of the missing energy and lepton. The dominant Standard Model backgrounds tend towards lower angles, while the investigated signals are expected to show little dependence on the angle. Further sensitivity to different signal mass scenarios is increased by considering events in categories with different jet and b-tag multiplicities, hadronic and leptonic scales, which are defined as the scalar sums of the jet transverse momenta, and the missing energy and lepton momentum, respectively. The background is estimated by a data-driven approach using background-enriched control regions. Low jet multiplicity data sidebands are used to obtain respective signal-to-control region transfer factors. Contributions from multijet events, which arise from mis- identified leptons, are subtracted from these control regions using misidentification prob- abilities measured in data. No significant deviation from the predicted Standard Model background is observed. This result is interpreted in the framework of simplified models corresponding to the afore- mentioned signal signature, resulting in exclusion limits for particular gluino-neutralino mass scenarios. Gluinos below 1575 GeV are excluded for light neutralinos, while for scenarios with low neutralino-gluino mass splitting, neutralinos are excluded up to 850 GeV. This extends the limits obtained in Run 1 by about 200 and 250 GeV, respectively. In addition, the upgrade of the CMS outer hadron calorimeter readout system with silicon photomultipliers is presented, describing its motivation and the commissioning of the new hardware. An initial energy calibration with cosmic muons is performed afterwards.