Kurzfassung
Diese Dissertation behandelt die Suche nach der
Paarproduktion von supersymmetrischen $/tau$-Lepton Partnern. Die Suche
erfolgt mit den Daten, die in den Jahren 2016 und 2017 mit einer
Schwerpunktenergie von $/sqrt{s} = 13$ /TeV mit dem Compact Muon
Solenoid (CMS) am Large Hadron Collider (LHC) aufgenommen wurden.
Eine der populärsten Erweiterungen des Standardmodells (SM) ist die
Supersymmetrie (SUSY). Die minimale supersymmetrische Erweiterung des
Standardmodells (MSSM) sagt das Vorhandensein von supersymmetrischen
Partnern der Fermionen (Sfermions) voraus. Jedes SM-Fermion hat zwei
skalare supersymmetrische Partner.
%, im Fall des $/tau$-Leptons heißen sie
%Staus ($/tilde {/tau})$.
Durch Ko-Annihilation der $/tau$-Lepton-Partner ($/widetilde {/tau}$) mit den leichtesten SUSY-Teilchen (LSPs)
kann die gemessene Dichte an dunkler Materie durch LSPs, die gute Kandidaten für dunkle Materie sind, richtig beschrieben werden. Es werden sowohl direkte
Zerfälle von $/widetilde {/tau}$ Paaren in LSP und $/tau$-Leptonen als auch
Zerfälle von Neutralino/Chargino- und Chargino-Paaren in $/tau$-Leptonen
analysiert. Drei Szenarien für die direkte /stau Paarproduktion werden
für eine Interpretation der Ergebnisse herangezogen: die exklusive Produktion von Partnern der
linkshändigen oder nur rechtshändigen $/tau$-Lepton Paaren
und die gleichzeitige Produktion beider Partner.
Die Ereignisselektion basiert auf dem semi-leptonischen Zerfall des
$/tau$-Leptonenpaares, wobei ein $/tau$-Lepton hadronisch zerfällt und
das zweite leptonisch in ein Elektron oder Myon und auf dem leptonischen
Zerfall, in dem das $/tau$-Leptonenpaar in ein Elektron und ein Myon
zerfällt. Um die Sensitivität auf neue Physik-Topologien zu optimieren,
wird eine cut-basierte Ereignisselektion sowie ein multivariater Ansatz
(MVA) verwendet. Die Daten werden mit den Vorhersagen der SM-Prozesse
und mit der $/widetilde {/tau}$ Signalhypothese verglichen. Es wurden keine
Hinweise für die Produktion supersymmetrischer $/tau$-Leptonpartner
gefunden.
%Neue Massen- und Wirkungsquerschnittsgrenzen werden in vereinfachten
%Modellen bestimmt.
Für das Szenario der linkshändigen $/widetilde{/tau}$ Produktion und
einem nahezu masselosen Neutralino können die stärksten
Ausschlussgrenzen bei einer $/widetilde{/tau}$ Masse von 125/GeV
gezogen werden, wobei das 1.14-fache des theoretischen Wirkungsquerschnitts
ausgeschlossen werden kann. In dem Szenario mit beiden
Helizitätszuständen können unter der Annahme eines
nahezu massenlosen LSP $/widetilde{/tau}$ Massen bis zu 150
/GeV ausgeschlossen werden.
Darüber hinaus wurde die Analyse der direkten $/widetilde {/tau}$ Produktion
von auf zukünftige LHC-Upgrades projeziert. Es wurden Projektionen unter
der Annahme einer gesammelten integrierten Luminosität von 3/abinv und der
Schwerkpunktsenergie von 14/TeV für den High Luminosity LHC (HL-LHC) und 15/abinv mit 27/TeV
für den High-Energy LHC (HE-LHC) analysiert. Im Szenario mit direkter Paarproduktion von
rechts- und linkshändigen gleicher Masse
$/widetilde {/tau}$ können Massen bis zu 650 (1150)/GeV
ausgeschlossen werden, wobei eine Entdeckung von $/tilde
{/tau}$-Massen bis zu 470 (810)/GeV für den HL-LHC (HE-LHC) erreicht werden kann.
This thesis is focused on the search for pair production of the supersymmetric $/tau$ lepton partners within the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment at the Large Hadron Collider (LHC). The search is performed using the data collected at a center-of-mass-energy $/sqrt{s} = 13$/TeV with the CMS detector in the years 2016-2017. One of the most popular extensions of the Standard Model (SM) is supersymmetry (SUSY). The minimal supersymmetric standard model (MSSM) predicts the existence of fermion superpartners called sfermions. Every SM fermion has two scalar superpartners, and the superpartners of the $/tau$ leptons are called staus ($/widetilde{/tau}$). The light $/widetilde{/tau}$ could bring the neutralino relic density to the observed value through co-annihilation with the Lightest Supersymmetric Particle (LSP). Models describing direct $/widetilde{/tau}$-pair production, where each $/widetilde{/tau}$ is expected to decay to a $/tau$ lepton and the LSP, as well as neutralino-chargino and chargino pair production with decays to $/tau$ leptons are investigated. Three scenarios of direct /stau pair production are considered for interpretation: scenarios in which superpartners of only left-handed or right-handed $/tau$ are produced in pairs, and a mass degenerate scenario in which the partners of the left- and right handed $/tau$ leptons have the same mass and are produced simultaneously. The analysis selection is based on final states with one hadronically decaying $/tau$ lepton, an electron or muon from the decay of the second $/tau$, and final states with one electron and one muon from the decay of the $/tau$ leptons. To optimize the sensitivity to the new physics topologies mentioned above, a cut-based approach as well as a multivariate approach (MVA) are applied. The data are compared with the expectation from the SM background processes and with $/widetilde{/tau}$-pair production signal hypotheses. No evidence for the production of supersymmetric $/tau$ lepton partners is found. Mass and cross section limits are determined within simplified model parameters. In the case of purely left-handed %$/widetilde{/tau}$ production and a nearly massless neutralino, the strongest limits are obtained for a $/widetilde{/tau}$ slepton mass of 125/GeV, where 1.14 times the theoretical cross section can be excluded. For the degenerate production scenario, $/widetilde{/tau}$ masses up to 150/GeV are excluded when assuming a nearly massless LSP. %As the next step, this analysis will be extended to include 2018 Run2 CMS data. And new deep neural network technique to classify signal versus background events is currently under development. In addition, the sensitivity of the direct $/widetilde{/tau}$ production is studied for future experiments, assuming 3/abinv of proton-proton collision data to be produced by the High Luminosity LHC (HL-LHC) at a center-of-mass energy of 14/TeV as well as assuming 15/abinv and 27/TeV energy to be delivered by the High Energy LHC (HE-LHC). The analysis is performed using the Delphes simulation of the upgraded CMS detector, where the object reconstruction performance is tuned to the one achieved with CMS Phase-2 full simulation. In the degenerate direct $/widetilde{/tau}$-pair production scenario, $/widetilde{/tau}$ masses are excluded below 650 (1150)/GeV, with the discovery contour of $/widetilde{/tau}$ masses reaching up to 470 (810) GeV for HL-LHC (HE-LHC).