Long-lived particle searches with the ILD experiment

Niniejsza praca przedstawia perspektywy detekcji neutralnych oraz naładowanych cząstek dłu gożyciowych (ang. long-lived particles, LLP) przy użyciu detektora International Large Detector (ILD), zakładając jego działanie przy przyszłym zderzaczu e+ e − International Linear Collider (ILC) przy energii √ s = 250 GeV. Głównym detektorem śladowym ILD jest duża komora pro jekcji czasowej (ang. time projection chamber, TPC) umożliwiająca praktycznie ciągły pomiar toru cząstki. Badania przeprowadzono z wykorzystaniem pełnej symulacji opartej o program Geant4 dla zestawu scenariuszy referencyjnych. Uwzglednione zostały różne źródła tła, zarówno od oddziaływań wiązki produkujących cząstki o małym pT , jak i od procesów Modelu Standard owego ze stanami końcowymi o wysokim pT . W analizie zastosowano podejście eksperymentalne: zamiast badać konkretne punkty w przestrzeni parametrów wybranego modelu teoretycznego, scenariusze dobrano na podstawie sygnatury eksperymentalnej i właściwości kinematycznych stanu końcowego, umożliwiając przetestowanie możliwości detektora oraz narzędzi do rekon strukcji. Studia przeprowadzono więc w sposób niezależny od modelu, prezentując wyniki w funkcji parametrów fizycznych, takich jak czasy życia cząstek LLP oraz ich masy. Dla neutralnych LLP wybrano dwie klasy scenariuszy. Pierwsza opisywała słabo pchnięte stany końcowe o niskim pT , wynikającym z niewielkiej różnicy mas pomiędzy ciężką LLP, a cząstką ciemnej materii powstającą w rozpadzie LLP. Druga obejmowała bardzo lekkie LLP, które ze względu na duże pchnięcie rozpadają się na silnie skolimowane cząstki o dużym pT . Rozważaną sygnaturą był przesunięty wierzchołek, a analiza opierała się na algorytmie do wyszukiwania wierzchołków, stworzonym na potrzeby tej pracy. Dodatkowo, wyniki rozszerzono o analizę egzotycznych rozpadów bozonu Higgsa, w której przetestowano podejście niezależne od modelu oraz zoptymalizowano procedurę pod kątem konkretnego scenariusza nowej fizyki. Dla naładowanych LLP analizę zaprojektowano korzystając z doświadczeń zdobytych przy poszukiwaniu cząstek neutralnych. Zakładano produkcję par naładowanych LLP, które mogły rozpadać się na lepton i cząstkę ciemnej materii, co prowadziło do charakterystycznej sygnatury „załamanego” śladu. Rozważano dwie wartości mas LLP (średnią i dużą), dla każdej z nich wybierając kilka wartości różnic mas między LLP a ciemną materią. Poszukiwania prowadzono z użyciem narzędzia do rekonstrukcji załamanych torów, zoptymalizowanego dla tej analizy. Uzyskane wyniki pokazują, że ILD umożliwia detekcję LLP w szerokim zakresie czasów życia cząstek, głównie dzięki dużej akceptancji TPC. Wykazano, że przy zderzaczu ILC pracującym przy energii 250 GeV możliwe będzie badanie sygnałów o przekroju czynnym na poziomie 0.1 fb dla większości analizowanych scenariuszy, a także osiągnięcie czułości na stosunki rozgałęzień bozonu Higgsa do LLP rzędu 10−4 . Wyniki te podkreślają duży potencjał eksperymentu ILD dla poszukiwań cząstek długożyciowych.

This thesis presents the prospects for detecting neutral and charged long-lived particles (LLPs) with the International Large Detector (ILD) assuming its operation at the future e+ e − Interna tional Linear Collider (ILC) with √ s = 250 GeV. The main tracker of the ILD is a large time pro jection chamber (TPC), which allows for almost continuous tracking. The study was performed using full Geant4 simulation for a set of benchmark scenarios. Multiple background sources were taken into account, both from low-pT beam-induced processes, as well as Standard Model interactions with high-pT final states. The analysis incorporated an experiment-orientated ap proach, in which instead of studying particular points in the parameter space of a specific model, benchmarks were selected based on the experimental signature and kinematic properties of the final state, allowing to test the detector capabilities and reconstruction tools. The study was therefore carried out in a model-independent way, and the results are presented as a function of physical parameters, such as LLP decay lengths or masses. For neutral LLPs, two classes of benchmarks were selected. The first one involved a little boosted, low-pT final state, resulting from a small mass difference between a heavy LLP and a dark matter particle created in the LLP decay. The second introduced a very light LLP which, due to its large boost, produced high-pT , strongly collimated final-state tracks. The signature of a displaced vertex was considered, and the analysis relied on a vertex-finding procedure designed for this work. It was also extended to a study of exotic Higgs decays, where the model-independent approach was tested, and the search was optimised for this specific BSM scenario. For charged LLPs, the analysis was designed based on the experience of the search for neutral LLPs. The benchmarks involved pair-production of charged LLPs which could decay into a lepton and a dark matter particle, resulting in the signature of a kinked track. Two LLP masses (high and moderate) were considered, with a set of mass differences between LLP and dark matter selected for each of them. The search was performed using a kinked-track finding tool that was optimised for this study. The results indicate that LLPs can be detected with the ILD for a wide range of lifetimes thanks to the large acceptance of the TPC. The study has shown that for the ILC running at 250 GeV signal production cross sections at the level of 0.1 fb can be probed for most of the scenarios considered, and the Higgs boson branching ratios to LLPs down to 10−4 can be reached. This demonstrates the potential of the ILD experiment in detecting the LLPs.