Measurement of Associated Z+Charm Production and Search for W' Bosons in the CMS Experimented at the LHC

UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear TESIS DOCTORAL Measurement of associated Z+charm production and search for W' bosons in the CMS experimented at the LHC Medida de la producción asociada de Z+charm y búsqueda de bosones W' en el experimento CMS del LHC MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE DOCTOR PRESENTADA POR Alberto Escalante del Valle Director Juan Alcaraz Maestre Madrid, 2017 ©Alberto Escalante del Valle, 2017 <a href="/goto?url=http://www.ciemat.es" target="_blank">´</a> <a href="/goto?url=http://www.ciemat.es" target="_blank">CENTRO DE INVESTIGACIONES ENERGETICAS </a><a href="/goto?url=http://www.ciemat.es" target="_blank">´</a> <a href="/goto?url=http://www.ciemat.es" target="_blank">MEDIOAMBIEN</a><a href="/goto?url=http://www.ciemat.es" target="_blank">T</a><a href="/goto?url=http://www.ciemat.es" target="_blank">A</a><a href="/goto?url=http://www.ciemat.es" target="_blank">LES Y TECNOLOGICAS </a>Measurement of associated Z+charm production and Search for W0 bosons in the CMS experiment at the LHC by <a href="[email protected]" target="_blank">Alberto Escalante del Valle </a>A thesis submitted in partial fulfillment for the degree of Doctor of Philosophy in the <a href="/goto?url=http://www.ucm.es" target="_blank">Universidad Complutense de Madrid </a> <a href="/goto?url=http://fisicas.ucm.es/" target="_blank">Facultad de Ciencias </a><a href="/goto?url=http://fisicas.ucm.es/" target="_blank">F</a><a href="/goto?url=http://fisicas.ucm.es/" target="_blank">´</a><a href="/goto?url=http://fisicas.ucm.es/" target="_blank">ı</a><a href="/goto?url=http://fisicas.ucm.es/" target="_blank">sicas </a> <a href="/goto?url=http://www.ucm.es/famn" target="_blank">Departamento de </a><a href="/goto?url=http://www.ucm.es/famn" target="_blank">F</a><a href="/goto?url=http://www.ucm.es/famn" target="_blank">´</a><a href="/goto?url=http://www.ucm.es/famn" target="_blank">ı</a><a href="/goto?url=http://www.ucm.es/famn" target="_blank">sica At</a><a href="/goto?url=http://www.ucm.es/famn" target="_blank">´</a><a href="/goto?url=http://www.ucm.es/famn" target="_blank">omica, Molecular y Nuclear </a>Supervised by: Dr. Juan Alcaraz Maestre Dr. Juan Pablo Fernańdez Ramos Madrid February 2017 <a href="/goto?url=http://www.ciemat.es" target="_blank">´</a> <a href="/goto?url=http://www.ciemat.es" target="_blank">CENTRO DE INVESTIGACIONES ENERGETICAS </a><a href="/goto?url=http://www.ciemat.es" target="_blank">´</a> <a href="/goto?url=http://www.ciemat.es" target="_blank">MEDIOAMBIEN</a><a href="/goto?url=http://www.ciemat.es" target="_blank">T</a><a href="/goto?url=http://www.ciemat.es" target="_blank">A</a><a href="/goto?url=http://www.ciemat.es" target="_blank">LES Y TECNOLOGICAS </a>Medida de la producción asociada de Z+charm y Bu´squeda de bosones W0 en el experimento CMS del LHC por <a href="[email protected]" target="_blank">Alberto Escalante del Valle </a>Memoria de la tesis presentada para optar al grado de Doctor en Filosof´ıa en la <a href="/goto?url=http://www.ucm.es" target="_blank">Universidad Complutense de Madrid </a> <a href="/goto?url=http://fisicas.ucm.es/" target="_blank">Facultad de Ciencias </a><a href="/goto?url=http://fisicas.ucm.es/" target="_blank">F</a><a href="/goto?url=http://fisicas.ucm.es/" target="_blank">´</a><a href="/goto?url=http://fisicas.ucm.es/" target="_blank">ı</a><a href="/goto?url=http://fisicas.ucm.es/" target="_blank">sicas </a> <a href="/goto?url=http://www.ucm.es/famn" target="_blank">Departamento de </a><a href="/goto?url=http://www.ucm.es/famn" target="_blank">F</a><a href="/goto?url=http://www.ucm.es/famn" target="_blank">´</a><a href="/goto?url=http://www.ucm.es/famn" target="_blank">ı</a><a href="/goto?url=http://www.ucm.es/famn" target="_blank">sica At</a><a href="/goto?url=http://www.ucm.es/famn" target="_blank">´</a><a href="/goto?url=http://www.ucm.es/famn" target="_blank">omica, Molecular y Nuclear </a>Supervisado por: Dr. Juan Alcaraz Maestre Dr. Juan Pablo Fernańdez Ramos Madrid Febrero 2017 Abstract Measurement of associated Z+charm production and Search for W0 bosons in the CMS experiment at the LHC by <a href="[email protected]" target="_blank">Alberto Escalante del Valle </a>Do we understand how elementary particles interact with each other? Are we able to predict the result of the collisions of these elementary particles at the LHC? The objective of this thesis is to investigate the validity of our current theoretical model, the Standard Model of particle physics, to explain the production of two low rate processes in proton-proton collisions at the LHC. The first half of the thesis studies the potential production of new types of interactions, mediated by new W0 bosons, present in many extensions of the Standard Model. This is the first search of this kind at a centre of mass energy of 13 TeV in CMS and uses a dataset of 2.3 fb−1 to search for an excess in the production of events with a muon and large missing transverse energy. As a result of this study, the analysed data is found to be in agreement with predictions of the Standard Model and disfavours the production of new W0 → µν processes. This analysis alone is not able to exclude the production of all kind of W0 interactions. However, it puts strong constrains to its potential cross 0−1 section and decay to a muon and a neutrino, σW B(W → µν) < 3 fb for W0 masses larger than 2 TeV. In the context of the Sequential Standard Model model, this result excludes WS0 SM bosons with masses smaller than 3.9 TeV. 0The second part of the manuscript presents the first measurement in CMS of the associated production of Z bosons with charm quarks, Z + c, using 19.7 fb−1 of data collected at 8 TeV. This is a rare process in the Standard Model and its cross section in the studied fiducial region is measured to be σfid(Z + c) = 8.6 ± 0.5 (stat) ± 0.7 (syst) pb. Additionally its relative production to that of bottom quarks, Z + b, is measured to be σ(Z + c)/σ(Z + b) = 2.0 ± 0.2 (stat) ± 0.2 (syst). Both measurements are also determined differentially as a function of transverse momentum of the Z boson and of the heavy flavour jet. Finally these measurements are compared with different theoretical predictions. Acknowledgements ¿Cuánto tiempo se tarda en escribir una tesis doctoral? En mi caso ∼3650 d´ıas. Este documento cierra mi etapa de formación como f´ısico que empecé hace aproximadamente 10 anõs cuando me matriculé en Ciencias F´ısicas en la UCM con 18 anõs. Y claro, tantos anõs dan para muchas experiencias y para estar en deuda con mucha gente. En primer lugar me gustar´ıa dar las gracias a todas aquellas personas que me dieron una oportunidad sin conocerme de nada, a todas aquellas personas que tuvieron abierta la puerta de su despacho para escucharme y me regalaron un minuto de su tiempo, y sobre todo a aquellas personas que fueron capaces de motivarme y sacar lo mejor de m´ı mismo. Todos ell@s saben quienes son, y por ello se merecen estar en el primer párrafo. Si hoy estoy aqu´ı escribiendo estas l´ıneas es gracias a todos vosotros. Muchas gracias. Me gustar´ıa agradecer a Juan Pablo su infatigable apoyo siempre que se lo he pedido. Por poner un ejemplo, poca gente sabe que Juan Pablo se sento´ durante casi 6 meses 8 horas diarias a mi lado y me ensen˜ó a ser un f´ısico de part´ıculas en tiempo récord. Durante este tiempo fue capaz de motivarme, sacar lo mejor de mi mismo y dotarme de iniciativa para no tener miedo a proponer cosas nuevas. Gracias por ensenãrme a volar. Juan Pablo y yo tenemos algo en comuń, somos muy impulsivos y muchas veces necesitamos alguien que nos guie y nos ayude a a centrarnos cuando nos aceleramos. Por ello, he tenido una suerte incre´ıble de poder trabajar con Isabel Josa Mutuberr´ıa. Isabel, al margen de ser una excelente investigadora, ha tenido la paciencia de escucharme, hacerme siempre las preguntas correctas y de esta forma organizar los conceptos en mi mente. Al mismo tiempo, Isabel ha demostrado una fuerza mental sobrenatural para poder sacar adelante Z+c cuando más complicado parec´ıa. Muchas gracias por todo. Muchas veces en una empresa se dice que si alguien se va, la empresa colapsa. Esto es cierto y en W’ esa persona es Begonã de la Cruz. Begonã fue capaz de coordinar W’ en tiempos de mucha presión y carga de trabajo. Al mismo tiempo Begonã me ensen˜ó a ser ambicioso y me animó a estudiar la resolución y la escala de los muones de alto pT . Finalmente Begonã se aseguro´ que W’ y yo tuviésemos un peso y una visibilidad mayor de la que nos corresponder´ıa por el tamanõ del grupo. No todos los héroes llevan capa. ´ Una tesis es una maratón y hay veces que el mayor enemigo es uno mismo. Oscar González López, al margen de ser el f´ısico más polémico que conozco, me ha demostrado ser un apoyo continuo tanto personal como profesional cuando ma´s lo necesitaba. Al mismo tiempo darle unas gracias enormes por haberse le´ıdo la tesis. Para los futuros éstudiantes de doctorado del CIEMAT, no dejen de hablar y aprender con Oscar (”el t´ıo del CERN”), no se arrepentirán. ii Acknowledgements iii Finalmente voy a cerrar este primer grupo de agradecimientos con una persona con la cual da verdadero placer hablar de f´ısica, Juan Alcaraz. Lo que más me gusta de Juan es su versatilidad para explicar un concepto y recalcar su importancia en un análisis concreto. Muchas de sus explicaciones me han hecho abrir los ojos y han dado lugar a nuevas ideas. Me gustar´ıa agradecerle el apoyo que me dió en cada proyecto que empecé, por dejarme equivocarme para aprender de ello y sobre todo dejarme ser investigador durante estos u´ltimos cuatro anõs. Gracias. En un segundo lugar me gustar´ıa agradecer a los CMSeros que me han acompanãdo en este viaje: Cruz, Mara, Jesu´s, Chema, Pablo, Cristina, Ignacio, Silvia, Nica, Marcos, Conchita y Marta. Gracias. In this part I would like to thank to the people at CERN that helped me during this thesis, namely: Ivan, Slava, Daniele, Petra, Caroline, Kostas, Simon, Carlo, Mar´ıa, Mauro, Luca, Shahram, Roberto, Alice... and especially to the Z0 → µµ and W0 → eν analysis teams. El primer párrafo va dedicado a todos vosotros. El siguiente párrafo va dedicado a mis compan˜eros de despacho/aventuras en el CIEMAT. Eduino un gustazo haber debatido largo y tendido de f´ısica contigo. Me llevo un amigo. Marisma, te dejo como mamá de CMS, cuida de los nuevos y demuestra lo que vales (¡much´ısimo!). Javismo, simplemente: crack. Daniel D., un gustazo conversar contigo y compartir experiencias. Mariano, casi tan buen portero como bético. Gran Manu, tu grandeza esta al nivel de tu altura (¡taponazo incluido!). Manuelinho, (hostias al teclado=ON) gran persona y mejor cantante (hostias al teclado=OFF). Diana, por tu culpa perd´ı un cal- ćet´ın, no te lo perdonaré jama´s. Miguel Angel y Adrián Q., os mando todas las fuerzas que me sobran, ¡ánimo para la recta final de la tesis!. Irene, juventud y energ´ıa, ¡lo tienes todo para triunfar!. A los más veteranos, Bruno, Rafa, José, Jorge y Don Nacho, un placer haber compartido batallitas con ustedes. Bárbara, mi ”salvadora” en Benasque y a la par un tesoro de persona. Juanjo y Jaime, maestros de la informática. Don Antonio, ahora en versión doctor y padrazo, enhorabuena. Finalmente Carlos, todo que intentas le pones un empenõ envidiable: investigación, deporte, debatir, salir de fiesta... Seguiré tu ejemplo en el futuro. ¡Gracias a todos por acompanãrme en esta aventura! ¿Qué hay que hacer para completar una tesis doctoral sin volverse loco? En mi caso he recargado las pilas gracias a mis compan˜eros de equipo. Quiero aprovechar este u´ltimo pa´rrafo para agradecer a todas las personas con las que he compartido vestuario durante todos estos anõs: ESA Trainees*, Cross F´ısicas UED*, F´ısicas (Sala, Siete, Once y Rugby), Gran Potra, Ol´ımpicos FC, Melvilles*, Hors Categorie, Solteros FC**, Saint-Genis-Ferney-Crozet, La Canãda FC, Sons of Pitches*, CERN XV**... All MVPs. Y en u´ltimo lugar agradecer a mi familia su apoyo durante todos estos anõs, especialmente cuando he estado más lejos f´ısica y mentalmente. Soy un afortunado, GRACIAS. Contents Abstract iAcknowledgements List of Figures List of Tables ii vii xAbbreviations xi Introduction 11 LHC and the CMS experiment 5581.1 The accelerator: Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Introduction to LHC physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Parton distribution functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.2 The hard interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.3 Parton shower and hadronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.4 13 TeV vs 8 TeV physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.3 The detector: Compact Muon Solenoid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.3.1 Tracker system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3.2 Electromagnetic calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3.3 Hadronic calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.3.4 Muon detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2 Search for W0 → µν bosons 28 2.1 Is the Standard Model the ultimate theory? . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.1.1 New interactions and extended gauge symmetries . . . . . . . . . . 31 2.1.2 Sequential Standard Model W0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2 Data samples and simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.1 13 TeV dataset in 2015 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.2 Monte Carlo simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.3 Physics objects: muons and MET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3.1 Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.3.2 Primary vertex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 iv Contents v2.3.3 Muon reconstruction and identification . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.3.4 Muon pT assignment and performance . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.3.5 Muon momentum resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.3.6 Muon momentum scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.3.7 Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.3.8 MET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.4 The W0 search: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.4.1 Analysis pre-selection: single muon candidates . . . . . . . . . . . 62 2.4.2 Discriminant variable for the search: transverse mass . . . . . . . . 66 2.4.3 Kinematic selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.4.4 Final selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.4.5 Scrutiny of the highest MT events . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 2.4.6 Systematic uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 2.5 Results and interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.5.1 Statistical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.5.2 The upper limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 2.5.3 Constrains to the W0 production at 13 TeV . . . . . . . . . . . . . 81 2.6 Search for new W0 bosons: conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3 Z + c cross section measurement 88 3.1 Standard model against Z + c and Z + b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.1.1 The charm quark PDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.2 Data samples and simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.2.1 2012 8 TeV dataset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.2.2 Monte Carlo simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.3 Physics objects: leptons and heavy flavour . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.3.1 Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.3.2 Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.3.3 Heavy flavour tagging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.4 The Z+charm measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.4.1 Z+jets selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.4.2 Z+heavy flavour selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 3.4.3 W+c and eµ auxiliary samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 ¯ 3.4.4 Other background: tt, diboson and Z+light . . . . . . . . . . . . . 120 3.4.5 Signal extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 3.4.6 Systematic uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 3.5 Results and interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 3.5.1 Inclusive Z+c and Z+c/Z+b cross section . . . . . . . . . . . . . . 132 3.5.2 Differential Z+c and Z+c/Z+b cross section . . . . . . . . . . . . 136 3.6 Z + c cross section measurement: conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Summary and outlook Resumen 144 148 Contents vi A Summary of the Standard Model of Particle Physics 150 A.1 Local gauge invariance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 A.2 Quantum Electrodynamics: QED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 A.3 Quantum Cromodynamics: QCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 A.4 Electroweak unification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 A.5 Spontaneous symmetry breaking and Higgs mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 B Publications and technical reports Bibliography 164 166 List of Figures 1.1 Sketch of the LHC pre-accelerator chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69√1.2 Measured cross sections for different SM process at s = 7, 8 and 13 TeV 1.3 LHC integrated luminosity in 2012 and 2015 . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.4 Mean number of interactions per bunch crossing in 2012 . . . . . . . . . . 11 1.5 Parton distribution function for different partons at different energy scales: Q2 = 10 GeV2 and Q2 = 1000 GeV2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.6 Example of a hard scattering process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.7 Simplified sketch of the parton shower and hadronization processes . . . . 17 1.8 Parton luminosity ratio at 13 TeV and 8 TeV from MSTW2008NLO PDF group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.9 Photo of CMS detector in one of the latest stages of its construction . . . 21 1.10 3-Dimensional sketch of the CMS detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.11 Schematic view of the CMS Tracker in the r-z plane and its different sub-detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.12 Sketch of the CMS ECAL and its sub-detectors . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.13 Schematic layout of the CMS HCAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.14 Sketch of the CMS Muon system and its sub-detectors . . . . . . . . . . . 26 1.15 CMS DTs and CSC muon detector during its construction . . . . . . . . . 27 2.1 Leading order Feynman diagram describing SSM W0 production at the LHC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2 Sketch that shows the dominant backgrounds in the W0 search . . . . . . 37 2.3 Higher order k-factor describing the combined QCD and EW corrections for the high mass W → µν background simulation . . . . . . . . . . . . . 39 2.4 Trigger efficiencies in W0 → µν events from simulation . . . . . . . . . . . 43 2.5 Evolution of the instantaneous luminosity in 2012 at 8 TeV and 2015 at 13 TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.6 Event display of the number of reconstructed vertices in a W0 → µν can- didate event at 13 TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.7 Distribution of the number of reconstructed vertices in dilepton events . . 46 2.8 Global muon reconstruction efficiency in W0 → µν simulation . . . . . . . 47 2.9 High-pT muon identification efficiency in W0 → µν simulation . . . . . . . 48 2.10 Sketch that illustrates the definition of the observable sagitta of a track . 49 2.11 Sketch of the cosmic muon two leg-reconstruction . . . . . . . . . . . . . . 52 2.12 Muon momentum resolution using cosmic muons . . . . . . . . . . . . . . 53 2.13 Academic sketch that shows the effect of a misaligned geometry in the track reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

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