Búsqueda de materia oscura en asociación con pares de quark top en el experimento cms

Resumen

Ciertas observaciones y medidas comológicas y astrofísicas del último siglo nos permiten afirmar que el Universo ha de contener una componente material insensible a la interacción electromagnética, relativamente abundante, conocida como «materia oscura» («DM», por sus siglas en inglés). A lo largo del mismo periodo, y con anterioridad, la física ha podido explicar la materia ordinaria y sus fenómenos en términos de partículas elementales, lo que nos induce a pensar que la DM esté formada por otra partícula (o partículas). Esta tesis consiste en una búsqueda de DM producida en asociación con pares de quark top, tt, usando una luminosidad integrada de 35.9 fb-1 de colisiones protón-protón en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) y recogidas por el experimento «Compact Muon Solenoid» (CMS), en el Laboratorio Europeo de Partículas (CERN) de Ginebra. Nuestro modelo de DM propone la interacción de ésta con la materia ordinaria por medio de un partícula de espín cero, similar a la partícula de Higgs, descubierta en 2012, en especial en lo que se refiere a la jerarquía de sus acoplamientos. En efecto, el mayor se daría con el quark top, lo que en parte justifica la búsqueda de DM en asociación con aquél. El quark top, de otro lado, es el único para el que la interacción débil actúa primero que la fuerte, por lo que se desintegra antes de hadronizar. Cuando hablamos de pares de quark top podemos hacerlo de tres canales de desintegración: hadrónico, semileptónico y dileptónico. Esta búsqueda se ciñe al último de ellos. La motivación es que, pese a que tenga lugar con menor probabilidad, su signatura es relativamente limpia en un colisionador hadrónico, por lo que los errores asociados son menos limitantes. El método de separación de señal (ttDM) en relación al fondo se basa en primer lugar en el desarrollo de una nueva variable, inspirada en la reconstrucción cinemática de la desintegración dileptónica tt. Su finalidad ha sido la obtención del momento transverso de la partícula mediadora de espín cero, lo que no es posible de modo analítico, luego debe acudirse a una estrategia numérica. Para incrementar el poder de discriminación, a continuación se efectúa un análisis multivariable basado en redes neuronales artificiales. Finalmente, no se observa ningún exceso respecto a la predicción del modelo estándar (SM). Al mismo tiempo, establecemos límites de exclusión de la intensidad de esta señal. La búsqueda de DM en asociación con pares de quark top es en cualquier caso una búsqueda consolidada dentro del programa del LHC. CMS llevó a cabo sendas búsquedas de ttDM a sqrt(s) = 8 TeV en los canales dileptónico y semileptónico. Desde 2015, con sqrt(s) = 13 TeV, la colaboración ATLAS ha publicado cuatro análisis (uno por canal más uno inclusivo); por su parte, CMS publicó una primera combinación de los canales semileptónico y hadrónico con los datos de 2015, tiene en preparación la combinación de los tres canales con datos de 2016, y ha publicado una búsqueda dileptónica con los mismos, que integra tres estrategias, una de las cuales constituye el núcleo de esta tesis.