Probing dark matter with higgs bosons and top quarks

Abstract

The Dark Matter (DM) mystery, or, also called, the missing matter problem, is probably the most important astrophysical and cosmological problem to be solved in order to explain numerous phenomena that our current best theories of gravity fail to describe. These observations, gathered for the last century, imply the existence of extra matter in the Universe, to which we called dark matter, due to its non-interactive nature with the Standard Model (SM) interactions like the Electromagnetic (EM) force, making it extremely hard to detect. Although its existence is generally accepted, some astrophysicists argue for various modifi cations of the laws of general relativity, such as modified Newtonian dynamics, tensor-vector-scalar gravity, entropic gravity and some others. These models attempt to account for all observations without invoking supplemental matter. DM is thought to have had a strong influence on the structure and evolution of the Universe and to be non-baryonic, meaning it may be composed of some particles yet to be discovered, which constitutes another evidence supporting the incompleteness of the SM. A phenomenological study is presented in this thesis in which a simplified DM model was used in order to perform the reconstruction of the 𝑡𝑡¯ system in the presence of a scalar dark matter particle, 𝑌0. In order to do this, signal samples of 𝑝𝑝 → 𝑡𝑡𝑌¯ 0 were generated at Leading Order (LO) using MadGraph5_aMC@NLO at the Large Hadron Collider (LHC), considering a pure CP-odd scalar boson, with a mass of 𝑚𝑌0 = 0 GeV, and considering only the dileptonic final states of the top quark pair. An event analysis is described and applied to signal samples and background SM events, which are reconstructed using a kinematic fit, assuming all the contributions for the missing transverse energy belong only to the undetected neutrinos. Furthermore, CP angular observables, that were explored in the studies of the Higgs boson, were used to set Confidence Levels (CL) limits as a function of the CP nature of the top quark couplings to the proposed scalar particle 𝑌0. Of these observables, the Δ𝜙ℓ +ℓ − and 𝑏4 variables were used to calculate exclusion limits for the CP-even and CP-odd components of the top quark DM couplings.

O mistério da matéria escura é possivelmente o problema astrofísico e cosmológico mais significativo a ser resolvido pela comunidade científica a fim de explicar vários fenómenos que as melhores teorias da gravidade dos dias de hoje falham em descrever. As observações astronómicas realizadas no último século, implicam a existência de matéria extra no Universo, à qual chamamos matéria escura, devido à sua natureza não interactuante com as interações do Modelo Padrão, como é o caso da força eletromag nética, tornando a sua deteção particularmente difícil. Embora a sua existência seja geralmente aceite, existem modelos alternativos que envolvem possíveis alterações nas leis da relatividade geral, tais como a dinâmica modificada de Newton, gravidade tensorial-vetorial-escalar, gravidade entrópica, entre outras. Estes modelos tentam explicar todas as observações sem invocar matéria suplementar. Pensa-se que a matéria escura tenha tido uma forte influência na estrutura e evolução do Universo e de ser não-bariónica, ou seja, constituída por partículas que estão ainda por descobrir, dando assim mais uma indicação de que o Modelo Padrão está de facto incompleto. Nesta dissertação é apresentado um estudo fenomenológico no qual foi utilizado um modelo de ma téria escura simplificado que considera a produção de um sistema 𝑡𝑡¯ associado a uma partícula escalar de matéria escura, 𝑌0. Para este objetivo, amostras de sinal do tipo 𝑝𝑝 → 𝑡𝑡𝑌¯ 0 foram geradas à ordem mais baixa (LO) usando o gerador Monte Carlo MadGraph5_aMC@NLO no LHC (Large Hadron Collider), considerando um bosão puramente CP-ímpar, com uma massa de 𝑚𝑌0 = 0 GeV, e considerando apenas estados finais dileptónicos. A análise descrita foi efetuada nestas amostras de sinal em conjunto com eventos de fundo do Modelo Padrão e estes foram reconstruídos com recurso a um ajuste cinemático, assumindo que toda a energia transversa em falta pertence aos neutrinos, provenientes dos decaimentos do quark top e que não são detetados. Para além disto, observáveis angulares, que foram explorados an teriormente em estudos do bosão de Higgs, foram usados para definir limites nos níveis de confiança com que se detetam estas partículas em função da natureza CP dos acoplamentos do quark top à partícula proposta 𝑌0. Destes observáveis, houve um particular foco na diferença do ângulo azimutal dos dois lep tões presentes nos eventos (Δ𝜙ℓ +ℓ −) e na variável 𝑏4 para calcular limites de exclusão aos acoplamentos do quark top ao mediador de matéria escura.