Suche nach Dunkler Materie in Assoziation mit einem hadronisch zerfallenden W /Z -Boson mit den Run-2-Daten des ATLAS-Detektors

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1 Suche nach Dunkler Materie in Assoziation mit einem hadronisch zerfallenden W /Z -Boson mit den Run-2-Daten des ALAS-Detektors 27. März DPG-agung Münster Philipp Gadow, Betreuer: Patrick Rieck Max-Planck-Institut für Physik, München

2 Einleitung WIMP: Weakly Interacting Massive Particle Vereinfachtes Modell Vektor-Mediator Z Suche nach im LHC erzeugter Dunkler Materie (DM) q q χ χ + W /Z(hadr.) Philipp Gadow (MPP) Mono-W /Z Überblick QCD-Abschätzung Sensitivität Zusammenfassung 1 / 11

3 Mono-W/Z (hadronisch) Signatur: Fehlender ransversalimpuls E miss mit (merged) Jet mit großem Radiusparameter (R = 1.0) (resolved) zwei Jets mit kleinem Radiusparameter (R = 0.4) merged (high energy) resolved (low energy) Dominante Untergrundprozesse W + jets (1lep) t t (1lep) Z ν ν (2lep) Philipp Gadow (MPP) Mono-W /Z Überblick QCD-Abschätzung Sensitivität Zusammenfassung 2 / 11

4 Ereignisselektion Baseline -rigger Lepton-Veto p miss > 30 GeV oder 2 b-jets E miss Anti-QCD-Schnitte Philipp Gadow (MPP) Mono-W /Z Überblick QCD-Abschätzung Sensitivität Zusammenfassung 3 / 11

5 Ereignisselektion Baseline -rigger Lepton-Veto p miss > 30 GeV oder 2 b-jets E miss Anti-QCD-Schnitte min φ(j, E miss ) > 0.4 φ(j/jj, E miss) > 2.1 φ(e miss, pmiss ) < π/2 Merged: E miss > 250 GeV 1 Jets mit großem Radiusparameter Veto auf nicht-assoziierte b-jets W /Z-agger (m J, D β=1 2 ) relative Haufigkeit ALAS Simulation Work in Progress Signal = 13 GeV Untergrund s m J [GeV] Resolved: E miss > 150 GeV Ereignis nicht in Merged-Kategorie 2 Jets mit kleinem Radiusparameter φ(j, j) < 2.4 R(j, j) < 1.4 (2 b-jets: 1.25) p j > 45 GeV p j1,j2,(j3) > 120 (150) GeV 2 oder weniger b-jets m jj im W /Z-Massenfenster Philipp Gadow (MPP) Mono-W /Z Überblick QCD-Abschätzung Sensitivität Zusammenfassung 3 / 11

6 Ereignisselektion Baseline -rigger Lepton-Veto p miss > 30 GeV oder 2 b-jets E miss Anti-QCD-Schnitte min φ(j, E miss ) > 0.4 φ(j/jj, E miss) > 2.1 φ(e miss, pmiss ) < π/2 Merged: E miss > 250 GeV 1 Jets mit großem Radiusparameter Veto auf nicht-assoziierte b-jets W /Z-agger (m J, D β=1 2 ) relative Haufigkeit ALAS Simulation Work in Progress Signal = 13 GeV Untergrund s β=1 D 2 Resolved: E miss > 150 GeV Ereignis nicht in Merged-Kategorie 2 Jets mit kleinem Radiusparameter φ(j, j) < 2.4 R(j, j) < 1.4 (2 b-jets: 1.25) p j > 45 GeV p j1,j2,(j3) > 120 (150) GeV 2 oder weniger b-jets m jj im W /Z-Massenfenster Philipp Gadow (MPP) Mono-W /Z Überblick QCD-Abschätzung Sensitivität Zusammenfassung 3 / 11

7 Ereignisselektion Baseline -rigger Lepton-Veto p miss > 30 GeV oder 2 b-jets E miss Anti-QCD-Schnitte min φ(j, E miss ) > 0.4 φ(j/jj, E miss) > 2.1 φ(e miss, pmiss ) < π/2 Merged: E miss > 250 GeV 1 Jets mit großem Radiusparameter Veto auf nicht-assoziierte b-jets W /Z-agger (m J, D β=1 2 ) relative Haufigkeit ALAS Simulation Work in Progress Signal = 13 GeV Untergrund s β=1 D 2 Resolved: E miss > 150 GeV Ereignis nicht in Merged-Kategorie 2 Jets mit kleinem Radiusparameter φ(j, j) < 2.4 R(j, j) < 1.4 (2 b-jets: 1.25) p j > 45 GeV p j1,j2,(j3) > 120 (150) GeV 2 oder weniger b-jets m jj im W /Z-Massenfenster Philipp Gadow (MPP) Mono-W /Z Überblick QCD-Abschätzung Sensitivität Zusammenfassung 3 / 11

8 Ereigniskategorien und Statistische Auswertung Ereigniskategorien Profile-Likelihood-Fit in E miss 0 Lepton Signalregion, 1 Lepton- und 2 Lepton Kontrollregion für dominante Untergründe mit 0, 1, and 2 b-tag Kategorien QCD-Abschätzung aus Daten notwendig, insbesondere für kleinere E miss -Beiträge (Resolved-Analyse) Phys. Lett. B 763 (2016) 251 Philipp Gadow (MPP) Mono-W /Z Überblick QCD-Abschätzung Sensitivität Zusammenfassung 4 / 11

9 QCD-Abschätzung Quelle für E miss in QCD: Fehlerhafte Messung der Jet-Energie ist für QCD-Multijet-Prozess meist kolinear zu einem der Jets E miss Diskriminierende Variable φ := min φ( E miss, p jet,i) i=1,2,3 Philipp Gadow (MPP) Mono-W /Z Überblick QCD-Abschätzung Sensitivität Zusammenfassung 5 / 11

10 Datenbasierte emplate-methode 1. E miss -emplate aus QCD-Region mit φ < 0.4 als Daten - MC 2. Bestimme Normierung der emplate aus Maximum-Likelihood- Fit in Seitenbändern der W /Z-Masse Methode wird separat angewendet für alle 6 Signalregionen (merged 0,1,2 b-tag, resolved, 0,1,2 b-tag) Philipp Gadow (MPP) Mono-W /Z Überblick QCD-Abschätzung Sensitivität Zusammenfassung 6 / 11

11 Datenbasierte emplate-methode Normierung des E miss -emplates durch Effizienz des φ-schnitts ε = n Signal n QCD Bestimme Normierung durch Maximum-Likelihood-Fit der E miss -Verteilung in Seitenbändern der W /Z-Masse Vor Fit in Seitenband-Region Seitenband-Region, post-fit QCD emplate QCD emplate Philipp Gadow (MPP) Mono-W /Z Überblick QCD-Abschätzung Sensitivität Zusammenfassung 7 / 11

12 Datenbasierte emplate-methode Normierung des E miss -emplates durch Effizienz des φ-schnitts ε = n Signal n QCD Bestimme Normierung durch Maximum-Likelihood-Fit der E miss -Verteilung in Seitenbändern der W /Z-Masse Fit in Seitenband-Region Seitenband-Region, post-fit QCD emplate Philipp Gadow (MPP) Mono-W /Z Überblick QCD-Abschätzung Sensitivität Zusammenfassung 7 / 11

13 Ergebnis der QCD-Abschätzung Verteilungen mit QCD-emplates als Input für statistische Analyse (Seitenbänder) Anteil von QCD-Ereignissen am Untergrund in Signalregion 0 b-tag 1 b-tag 2 b-tag merged 1.1 % 1.2% 2.1 % resolved 2.0% 1.1% 1.4% Philipp Gadow (MPP) Mono-W /Z Überblick QCD-Abschätzung Sensitivität Zusammenfassung 8 / 11

14 Systematische Unsicherheiten der QCD-Abschätzung Normierungs-Unsicherheit: Unsicherheit aus Maximum-Likelihood-Fit Modellierungs-Unsicherheit: emplate = Daten - MC, somit abhängig von Modellierung anderer Untergründe. Fehlerabschätzung durch Fits mit Variation der Untergrund-Normierungen Unsicherheiten werden quadratisch addiert: Pro Region ein Nuisance Parameter im statistischen Modell Philipp Gadow (MPP) Mono-W /Z Überblick QCD-Abschätzung Sensitivität Zusammenfassung 9 / 11

15 Sensitivität der Analyse Maß für Sensitivität der Analyse: m DM [GeV] erwartete Signifikanz ( s/ b) ALAS Work in Progress [GeV] m Med Mono-W (had) expected significance Verbesserungen durch: Hinzufügen der Resolved-Region Hinzufügen der B-agging Kategorien Datenbasierte Multijet- Abschätzung Philipp Gadow (MPP) Mono-W /Z Überblick QCD-Abschätzung Sensitivität Zusammenfassung 10 / 11

16 Sensitivität der Analyse Maß für Sensitivität der Analyse: m DM [GeV] erwartete Signifikanz ( s/ b) ALAS Work in Progress [GeV] m Med Mono-W (had) expected significance Verbesserungen durch: Hinzufügen der Resolved-Region Hinzufügen der B-agging Kategorien Datenbasierte Multijet- Abschätzung Philipp Gadow (MPP) Mono-W /Z Überblick QCD-Abschätzung Sensitivität Zusammenfassung 10 / 11

17 Sensitivität der Analyse Maß für Sensitivität der Analyse: m DM [GeV] erwartete Signifikanz ( s/ b) ALAS Work in Progress [GeV] m Med Mono-W (had) expected significance Verbesserungen durch: Hinzufügen der Resolved-Region Hinzufügen der B-agging Kategorien Datenbasierte Multijet- Abschätzung Philipp Gadow (MPP) Mono-W /Z Überblick QCD-Abschätzung Sensitivität Zusammenfassung 10 / 11

18 Sensitivität der Analyse Maß für Sensitivität der Analyse: m DM [GeV] erwartete Signifikanz ( s/ b) ALAS Work in Progress [GeV] m Med Mono-W (had) expected significance Verbesserungen durch: Hinzufügen der Resolved-Region Hinzufügen der B-agging Kategorien Datenbasierte Multijet- Abschätzung Philipp Gadow (MPP) Mono-W /Z Überblick QCD-Abschätzung Sensitivität Zusammenfassung 10 / 11

19 Zusammenfassung Suche nach Dunkler Materie in Assoziation mit hadronisch zerfallendem W /Z-Boson am ALAS-Experiment QCD-Untergrund wurde abgeschätzt mit datenbasierter emplate-methode ALAS Mono-W /Z-Suche ist vor allem für leichte DM-eilchen und leichte Mediatoren sensitiv Ausblick: Mono-W /Z besonders relevant für neue, konsistente Modelle Dunkler Materie (Zwei-Higgs-Dublett mit pseudoskalarem Mediator) Philipp Gadow (MPP) Mono-W /Z Überblick QCD-Abschätzung Sensitivität Zusammenfassung 11 / 11