SEARCH FOR ELECTROWEAK PRODUCTION OF SUPERSYMMETRIC PARTICLES IN COMPRESSED MASS SPECTRA WITH THE ATLAS DETECTOR AT THE LHC

In this thesis, two analyses searching for the production of supersymmetric particles through the electroweak interaction are presented: the chargino search, targeting the pair production of charginos decaying into W bosons and neutralinos, and the displaced track search, looking for mildly displaced charged tracks arising from the decays of higgsinos into pions. These searches target compressed phase spaces, where the mass difference between the next-to-lightest and lightest supersymmetric particle is relatively small. The searches use proton-proton collision data collected at a centre-of-mass energy of 13 TeV with the ATLAS detector at the LHC. In the chargino search, the targeted difference in mass between charginos and neutralinos is close to the mass of the W boson. In such phase space, the chargino pair production is kinematically similar to the WW background, which makes the chargino signal experimentally challenging to be discriminated from the WW background. A final state with two leptons from the leptonic decays of the W bosons, missing transverse momentum and no hadronic activity is considered, while advanced machine learning techniques are adopted to separate the supersymmetric signal from the backgrounds. Chargino masses up to about 140 GeV are excluded at 95% confidence level in the case of a mass splitting between chargino and neutralino down to about 100 GeV. The results supersede the previous ATLAS results in particularly interesting regions where the chargino pair production could have hidden behind the looking-alike WW background. In the displaced track search, the difference in mass between the produced supersymmetric particles and the lightest neutralinos goes down to 0.3 GeV. The experimental signature is one jet, missing transverse momentum, and a low momentum charged track with an origin displaced from the collision point, the last element being the first time it is used in a search of this kind at a hadron collider. The results show that the analysis has the sensitivity to exclude different signal hypotheses for higgsino masses up to 175 GeV if no excess is observed in data. For lower masses, the larger signal cross-section allows to achieve higher significance values for different mass splitting scenarios. All these signal hypotheses have not been probed by any existing analysis of LHC data.

In questa tesi, sono presentate due analisi che cercano la produzione di particelle supersimmetriche attraverso l'interazione elettrodebole: la ricerca di chargini, dove i chargini prodotti decadono in bosoni W e neutralini, e la ricerca di tracce displaced, ossia di tracce cariche spostate dal vertice di collisione primario, provenienti dai decadimenti di higgsini in pioni. Queste ricerche sono effettuate in spettri di massa compressi, dove la differenza di massa tra la particella subito più pesante di quella più leggera e quella più leggera è relativamente piccola. Queste ricerche usano dati provenienti dalle collisioni protoni-protoni raccolti con un'energia nel centro di massa di 13 TeV con il rivelatore ATLAS presso LHC. Nella ricerca di chargini, la differenza di massa considerata tra i chargini e i neutralini è vicina alla massa del bosone W. In tale spazio fasi, la produzione di coppie di chargini è cinematicamente simile a quella del fondo WW, il che rende sperimentalmente difficile separare il segnale dei chargini dal fondo WW. Lo stato finale considerato è costituito da due leptoni provenienti dai decadimenti leptonici dei bosoni W, momento trasverso mancante e assenza di attività adronica, mentre tecniche di machine learning avanzate sono impiegate per separare il segnale supersimmetrico dai fondi. Masse di chargini fino a 140 GeV sono escluse al 95% di livello di confidenza nel caso di una differenza di massa minore di circa 100 GeV. I risultati ottenuti soprassiedono i precedenti risultati di ATLAS in regioni particolarmente interessanti dove la produzione di coppie di chargini si sarebbe potuta nascondere dietro il simile fondo WW. Nella ricerca di tracce displaced, la differenza di massa tra le particelle supersimmetriche prodotte e i neutralini più leggeri scende fino a 0.3 GeV. La segnatura sperimentale è costituita da un getto, momento trasverso mancante e una traccia carica a basso momento con un'origine spostata dal punto di collisione; quest'ultimo elemento è la prima volta che viene usato in una ricerca di questo tipo ad un collisionatore adronico. I risultati mostrano che l'analisi ha sensitività per escludere diverse ipotesi di segnale per masse di higgsini fino a 175 GeV se nessun eccesso è osservato nei dati. Per masse inferiori, la sezione d'urto più grande permette di ottenere significanze più elevate per diversi scenari di differenze di massa. Tutte queste ipotesi di segnale non sono ancora state esplorate da nessuna analisi esistente dei dati di LHC.