Estudio de procesos más allá del modelo estándar en estados finales leptónicos con el detector cms en el run 2 del lhc

Resum

RESUMEN (en español) El trabajo presentado en esta tesis está dedicado al estudio de la física de altas energías en estados finales con dos o más leptones (multileptónicos). Medidas del comportamiento del Modelo Estándar de la física de partículas (ME) y de procesos más allá del ME han sido estudiados con datos obtenidos por el experimento CMS durante el Run 2 del LHC. Las primeras medidas del comportamiento del sector electrodébil del ME se corresponden con el estudio de procesos de producción asociada de dos bosones vectoriales masivos (WW, WZ, y ZZ). Se presentan las primeras medidas de la sección eficaz de estos procesos a una energía en el centro de masas de 5 TeV, incluida la primera observación del proceso WW en este rango de energía. También se presenta una detallada serie de medidas del proceso de producción asociada WZ a una energía en el centro de masas de 13 TeV. La sección eficaz total de producción de WZ ha sido medida con una incertidumbre relativa del 4%. La asimetría de carga en WZ, incluida una interpretación de la misma en términos de las funciones de distribución partónicas, ha sido medida con una precisión del 2.5%. Se han realizado estimaciones de las fracciones de polarización de los bosones W y Z, lo que ha conducido a la primera observación de bosones W polarizados longitudinalmente en estados finales dibosónicos. Finalmente se ha realizado una búsqueda de procesos de nueva física en forma de teorías de campo efectivas (TCE) dando lugar a nuevas restricciones en los posibles valores de cinco parámetros TCE de dimensión seis. Para corroborar todos los procedimientos anteriores, se han medido secciones eficaces diferenciales a nivel de partícula, libres de los efectos del detector, con respecto a todos los observables de alto nivel relevantes. El acoplamiento de Yukawa entre el quark top y el bosón de Higgs ha sido estudiado a través del proceso de producción ttH. El procedimiento de análisis se ha basado en la optimización de un discriminante basado en requisitos sobre una única variable de cara a aumentar la sensibilidad final de la medida mientras se mantiene la reinterpretabilidad de la misma. Los resultados incluyen la evidencia de la existencia del proceso ttH a una significancia de 4 desviaciones típicas. Se ha realizado una búsqueda de producción electrodébil de supersimetría (SUSY) en estados finales multileptónicos. Esta se ha basado en un estrategia exhaustiva que examina un total de doce estados finales divididos en función del número de leptones, su sabor y su carga. Se han diseñado dos criterios de búsqueda para la definición de regiones enriquecidas en señal: el primero se basa en una serie de requisitos sobre variables individuales para la definición de regiones de señal (RS), y el segundo utilizando una red neuronal paramétrica (RNN). Si bien no se ha observado un exceso en los datos compatible con la presencia de SUSY, los resultados han sido interpretados en términos de modelos simplificados para determinar límites en las secciones eficaces de producción y las masas de las partículas supersimétricas. Dependiendo de las hipótesis del modelo, los resultados dan lugar a los límites más estrictos hasta la fecha en las masas del chargino y el neutralino. De cara a preparar el funcionamiento del experimento CMS para la Fase II del LHC, nuevos métodos han sido desarrollados y estudiados. Los diferentes algoritmos presentados en la tesis se corresponden con nuevos métodos para que el sistema de trigger de L1 de muones sea capaz de adaptarse a las duras condiciones del LHC de alta luminosidad con igual o mejor desempeño que el que ha mostrado durante la toma de datos del Run 2. RESUMEN (en Inglés) The work presented in this thesis explores high energy physics in final states with two or more leptons (multileptonic). Data taken by the CMS experiment, corresponding to the Run 2 of the LHC, is used to explore both the physics of the Standard Model of Particle Physics (SM), and possible models of new physics beyond the Standard Model (BSM). The electroweak sector of the SM is first probed through the study of processes involving the production of two massive gauge bosons (WW, WZ, and ZZ). The first measurements of the cross sections for all three processes at a center-of-mass energy of 5 TeV are presented, leading to the first observation of WW production at this energy regime. A detailed set of studies on WZ production at a center of mass energy of 13 TeV is also discussed. The results are lead by the most precise measurement of the WZ production cross section, with an overall relative uncertainty of 4%. The charge asymmetry in WZ production, including an interpretation in terms of parton distribution function constrainings, is measured at the 2.5% precision level. Estimations of the boson polarization fractions for both the W and Z bosons lead to the first observation of longitudinally polarized W bosons in diboson production. A search for BSM physics modelled through effective field theory (EFT) operators lead to constraints in five different dimension six components. All measurements are confirmed through the production of detector-free differential cross section measurements with respect to all relevant high level observables. The Yukawa coupling of the top quark is studied through the ttH production mechanism. A dedicated single variable-based signal extraction criteria has been developed to optimize the sensitivity of the measurement while keeping the result easily reinterpretable. The results correspond to evidence for the ttH production mode with a significance of 4 statistical deviations. A final set of measurements corresponding to searches for electroweak supersymmetry (SUSY) in multileptonic final states is also performed. An exhaustive strategy is followed in which twelve final states consisting on different lepton flavours, charges and multiplicities are explored in detail. Both a simple signal region (SR), approach based on single variable selection requirements, and a multivariate approach based on parametric neural networks (PNN) are designed to look for BSM physics. While no significant presence is found, limits are set in SUSY particle masses and production cross sections through the usage of simplified models (SMS). Depending on the model assumptions, these limits are up to the most stringent in chargino and neutralino masses up to date. In order to prepare for the next operating years of the LHC, several improvements developed for the Phase II upgrade of the CMS detector are introduced. The different algorithms presented correspond to different upgrades to the current L1 trigger strategy so it can cope with the harsher running conditions of the High Luminosity LHC with equal or better performance that the current ones did for the Run 2.