Search for heavy fermions with the ATLAS experiment at the LHC collider

Abstract

In the present thesis a search for new heavy fermions using LHC data collected in 2012 by the ATLAS experiment is presented. In particular, a search for pair and single production of vector-like quarks with electric charge 2/3 (T) and -1/3 (B) decaying to a Z boson is discussed. For this search the analysis was divided in two channels, depending on the lepton multiplicity, and both channels were combined at the end for the nal results. Since no evidence for signal was found, limits on the mass of the vector-like quarks were evaluated. The observed (expected) limit on the mass of an SU(2) singlet T quark is 655 GeV (625 GeV), while the observed (expected) limit on the mass of a T quark in a (T;B) doublet is 735 GeV (720 GeV). The observed (expected) limit on the mass of an SU(2) singlet B quark is 685 GeV (670 GeV), while the observed (expected) limit on the mass of a B quark in a (B; Y ) doublet is 755 GeV (755 GeV). The impact of a heavy gluon in the searches for pair production of vector-like quarks has also been studied. Even if kinematic di erences were found at the parton level, these seem to be negligible after taking the detector simulation and event reconstruction e ects into account. The ATLAS results obtained within the scope of the present thesis were recasted in a realistic scenario and it was found that the selection e ciencies for signal, as well as the nal results, are not sensitive to the presence of a heavy gluon. Such conclusion allowed to reinterpret all the relevant ATLAS and CMS results by simply scaling the cross-section, obtaining limits on the mass of the heavy gluon.

Na presente tese é apresentada uma pesquisa de novos fermiões usando os dados de LHC coletados em 2012 pela experiencia ATLAS. Em particular, a produção simples e de pares de quarks vetoriais com carga elétrica de 2/3 (T) e -1/3 (B) que decaem para bosões Z é discutida. Neste estudo a análise de dados foi dividida em dois canais, em função da multiplicidade de leptões, sendo estes combinados para obter um resultado final. Não tendo sido observada nenhuma evidência de sinal nos dados analisados, limites na massa dos quarks vetoriais foram obtidos. O limite observado (esperado) na massa de um quark T e 655 GeV (625 GeV) para o caso de um singleto de SU(2), sendo 735 GeV (720 GeV) no caso de um dubleto (T;B). Os correspondentes limites para um quark vectorial B são 685 GeV (670 GeV) para um singleto e 755 GeV (755 GeV) para um dubleto (B; Y ). O impacto de um hipotético gluão pesado na pesquisa da produção de pares de quarks vetoriais foi também estudado. Concluiu-se que apesar de algumas diferenças cinemáticas existirem a nível partónico, estas diluem-se consideravelmente apos considerar a simulação do detetor e os efeitos de reconstrução de acontecimentos. Foram então reinterpretados os resultados de ATLAS obtidos no contexto desta tese, observando-se que as diferenças de e ciência de seleção de sinal, bem como os resultados finais, não mudam significativamente na presença de gluões pesados. Esta observação permitiu justicar a reinterpretação dos restantes resultados de ATLAS e CMS considerando apenas a diferença de secções e eficazes de forma a obter limites na massa do gluão pesado.