Kurzfassung
Diese Arbeit präsentiert eine Suche nach Supersymmetrie (SUSY), einer vielversprechende Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik. Für die Suche werden Endzustände mit Jets und hohem, fehlenden Transversalimpuls in Proton-Proton-Kollisionsdaten betrachtet. Die analysierten Daten wurden mit dem CMS-Experiment am Large Hadron Collider im Jahr 2016 aufgezeichnet und entsprechen einer integrierten Luminosität von 35.9/fb. In der Analyse werden exklusive Suchregionen definiert, basierend auf der Anzahl der Jets und Bottom-Quark-Jets, sowie des gesamten und des fehlenden Transversalimpulses. Diese Herangehensweise bietet eine hohe Sensitivität für eine Vielzahl von supersymmetrischen Endzuständen.
Der Schwerpunkt der Arbeit ist dabei auf einer datengetriebenen Abschätzung des sogenannten Lost-Lepton-Untergrundes. Dieser Standardmodell-Untergrund besteht aus Ereignissen, in denen ein Elektron oder Myon zusammen mit einem Neutrino erzeugt wird, und erstere nicht als isoliertes Lepton beobachtet wird. Diese Ereignisse sind vor allem in den sensitivsten Suchregionen ein dominanter Untergrund der Suche. Die Untergrundabschätzung basiert auf Kontrollregionen aus Daten-Ereignissen mit genau einem isolierten Lepton bestehen. Die beobachteten Ereignisse in den Kontrollregionen werden anschließend verwendet, um die Anzahl der Lost-Lepton-Ereignisse in den Suchregionen abzuschätzen. Diese Vorgehensweise reduziert die Abhängigkeit von simulierten Ereignissen. Entscheidende Verbesserungen in dieser etablierten Methode werden aufgezeigt, mit denen die größte systematische Unsicherheit der Methode erhebliche reduziert wird. Durch eine zweite, eigenständige Methode werden diese neuen Entwicklungen überprüft und validiert. Diese basiert auf einer weniger komplexen Herangehensweise, die zwar die gleichen Kontrollregionen verwendet, aber generell mehr von simulierten Ereignissen abhängig ist.
In der Analyse konnte kein Nachweis für SUSY gefunden werden und die Ergebnisse der Suche werden im Kontext von vereinfachten, supersymmetrischen Modellen interpretiert. Dabei wird angenommen, dass das Neutralino das leichteste supersymmetrische Teilchen ist. Es werden obere Ausschlussgrenzen für den Wirkungsquerschnitt für Paarproduktion von Gluinos und Squarks für verschiedene Modellszenarien berechnet. Es können Gluinos bis zu einer Masse von 1800–1960 GeV und Squark bis zu einer Masse von 960–1390 GeV bei einem Konfidenzintervall von 95% ausgeschlossen werden.
Diese statistische Interpretation von Suchen nach neuer Physik benötigt eine hohe Anzahl an simulierten Ereignissen. Um die benötigten Rechenkapazitäten zu minimieren wird hierfür oft nur eine schnelle und approximative Simulation des CMS-Detektors verwendet, die unter dem Namen “FastSim” geläufig ist. Diese Arbeit beschreibt einen neuen und effizienten Algorithmus, der die Propagation und die Wechselwirkungen der Teilchen im Tracking-Detektor modelliert. Dieser Algorithmus ermöglicht die Simulation des kürzlich ausgetauschten Pixeldetektors des CMS-Experiments und bleibt vorraussichtlich ein fester Bestandteil von FastSim für zukünftige Verbesserungen des CMS-Detektors.
This thesis presents a search for Supersymmetry (SUSY), which is a popular extension of the Standard Model of particle physics (SM). The search is performed in proton-proton collision data in final states with jets and a large transverse momentum imbalance. The analyzed data were collected with the CMS experiment at the CERN LHC in 2016 at a center-of-mass energy of 13TeV and correspond to an integrated luminosity of 35.9/fb. In the analysis, the number of jets and tagged bottom quark jets, as well as the transverse and missing transverse momentum are used to categorize the events into exclusive search regions. This approach provides a high sensitivity to a variety of supersymmetric final states. The focus of this thesis is on a data-driven estimate of the so-called lost-lepton background. In these events, a neutrino is produced and the associated electron or muon is not observed as an isolated lepton or track, and the event enters the search region. This is one of the dominant background contributions, especially in most sensitive search regions. The background estimation method is based on events in single lepton control regions, which are selected in data and then used to constrain the background prediction in the search regions. This procedure reduces the dependence of the analysis on simulated event samples. Decisive improvements of the well-established lost-lepton background estimation method are described, thus achieving a crucial reduction of the leading systematic uncertainty compared to previous implementations of the method. The new developments are validated by an independent background estimate. This is performed by a second, less complex approach, which is based on the same single lepton control regions but generally relies on the modeling of the simulation to a larger extent. No evidence for SUSY is found in the analyzed data. Therefore, the results are interpreted in the context of simplified models. All considered models assume the neutralino to be the lightest supersymmetric particle. Limits on the cross section for the pair production of gluinos and squarks are derived for various production and decay scenarios, which correspond to lower limits on the gluino mass as large as 1800–1960GeV and to lower limits on the squark masses as large as 960–1390 GeV at 95% C.L. The statistical interpretation of searches as the one described in this thesis requires large samples of simulated events. To save computational resources, these events are typically generated with a fast and approximate simulation of the CMS detector, referred to as “FastSim”. In this thesis, a new and efficient framework for the propagation of particles inside the CMS tracking detector is developed and validated. This algorithm permits the modeling of the recently upgraded CMS pixel detector and is expected to remain a core part of FastSim throughout further upgrades of the experiment.