Searching for heavy neutrinos and right-handed gauge bosons using the LHC proton-proton collision data at √s = 13 TeV collected by the CMS detector = CMS 검출기로 수집된 거대 강입자 충돌기의 질량중심 에너지 13 TeV 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용한 무거운 중성미자와 오른손잡이 게이지 보존 탐사

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Neutrino mass is not explained within the Standard Model. Left Right Symmetric Models address this by introducing right handed neutrinos and a right handed charged gauge boson (W_R), which restore symmetry between left and right handed weak interactions and generate neutrino masses through the seesaw mechanism. Searching for W_R and heavy neutrinos therefore tests a possible origin of neutrino mass.

This thesis presents a search for W_R and a heavy neutrino (N) that couples to the tau lepton. The signal considered is the production of W_R, followed by its decay to a tau lepton and N, and the subsequent decay of N into another tau lepton and two quarks. The resulting final state contains one hadronically decaying tau, one electron or muon from the leptonic tau decay, and at least two jets. The analysis uses proton proton collision data recorded by the CMS detector at a center of mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 /fb.

To maintain sensitivity across different heavy neutrino mass ranges, the analysis is divided into a resolved region and a boosted region. Backgrounds with genuine taus are modeled using simulation, while backgrounds from jets misidentified as taus are estimated using a data driven fake factor method. The final signal extraction is performed using a binned likelihood fit, with systematic uncertainties included as nuisance parameters. No significant excess above the Standard Model prediction is observed. Upper limits at 95% confidence level are set on the production cross section of the signal in the 2-dimensional plane of the W_R and N mass.

국문 초록 (Abstract)

비록 입자물리학의 표준 모형은 현대 물리학에서 중성미자를 포함한 기본 입자의 상호작용을 성공적으로 설명하고 있으나, 관측된 중성미자 질량에 대해서는 설명하지 못한다. 중성미자 질량은 표준 모형 내에서 설명되지 않는다. 좌우대칭모형은 기존 표준 모형의 게이지군을 확장하여, 새로운 오른손잡이 게이지 보손(W_R)과 무거운 중성미자를 도입하여 좌·우 약한 상호작용의 대칭성을 회복하고, 시소(seesaw) 기작을 통해 중성미자 질량을 생성함으로써 이를 해결한다. 따라서 W_R 과 무거운 중성미자를 탐색하는 것은 중성미자 질량의 가능한 기원을 검증하는 중요한 방법이다.

본 연구에서는 타우 경입자과 결합하는 W_R과 무거운 중성미자(N)를 탐색하였다. 고려한 신호는 W_R 의 생성 후 타우 경입자와 N으로 붕괴되는 과정이며, 이어서 N이 또 다른 타우 경입자과 두 개의 쿼크로 붕괴되는 과정이다. 이에 따라 최종 상태는 하드로닉 붕괴를 하는 타우 한 개, 경입자적 타우 붕괴에서 나오는 전자 혹은 뮤온 한 개, 그리고 최소 두 개의 제트로 구성된다. 본 분석에는 CMS 검출기가 기록한 중심질량 에너지 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌 데이터가 사용되었으며, 적분 광도량 138/fb 에 해당한다.

무거운 중성미자의 다양한 질량 범위에 대한 민감도를 유지하기 위해, 분석은 최종 입자들이 분리되어 재구성 되는 영역과 뭉쳐서 재구성되는 영역으로 나누어 수행되었다. 실제 타우를 포함하는 배경은 시뮬레이션으로 모델링하였고, 제트를 타우로 잘못 식별한 배경은 데이터 기반 방법으로 추정하였다. 표준 모형 예측을 상회하는 유의미한 과잉 신호는 관찰되지 않았다. 이에 따라 W_R과 N 질량의 2차원 평면에서 신호 생성 단면에 대한 95% 신뢰수준 상한이 설정되었다.

목차 (Table of Contents)

• Contents
• Abstract i
• Chapter 1 Introduction 1
• Chapter 2 Theoretical Background 5
• 2.1 The Standard Model 6
• 2.1.1 Spacetime Symmetries and Spinor Representations 6
• 2.1.2 The Dirac Equation and Lorentz Covariance 13
• 2.1.3 Gauge Symmetry and Quantum Electrodynamics 17
• 2.1.4 Electroweak Theory and Non-Abelian Gauge Symmetry 20
• 2.1.5 Spontaneous Symmetry Breaking and Mass Generation 25
• 2.2 Beyond the Standard Model 34
• 2.2.1 Motivation and Gauge Structure of Left-Right Symmetry 34
• 2.2.2 Breaking of Left-Right Symmetry 37
• 2.2.3 Fermion Masses and Mixing 43
• 2.2.4 Neutrino Masses and the Seesaw Mechanism 45
• Chapter 3 Experimental Background 47
• 3.1 The Large Hadron Collider 47
• 3.1.1 CERN Accelerator Chain 48
• 3.1.2 Beam Structure and Dynamics 52
• 3.1.3 LHC Operation and Performance 54
• 3.2 The Compact Muon Solenoid 55
• 3.2.1 General Overview of the CMS 55
• 3.2.2 Magnet System 58
• 3.2.3 Tracking System 59
• 3.2.4 Electromagnetic Calorimeter 61
• 3.2.5 Hadron Calorimeter 63
• 3.2.6 Muon System 64
• 3.2.7 Trigger and Data Acquisition 66
• 3.3 Particle Flow Reconstruction 69
• 3.3.1 Reconstruction Inputs and Linking 71
• 3.3.2 Jets 73
• 3.3.3 Electrons and Photons 74
• 3.3.4 Muons 75
• 3.3.5 Hadronic Taus 76
• Chapter 4 Data Analysis 78
• 4.1 Introduction 78
• 4.2 Datasets 81
• 4.2.1 Data Samples 81
• 4.2.2 Simulated Samples 81
• 4.2.3 Trigger Selection 82
• 4.3 Object Identification 83
• 4.3.1 Muons 83
• 4.3.2 Electrons 85
• 4.3.3 Taus 87
• 4.3.4 Jets 88
• 4.3.5 Missing Transverse Energy 91
• 4.4 Event Selection 91
• 4.4.1 Signal Kinematics 91
• 4.4.2 Preselection 93
• 4.4.3 Signal and Control Region Selection 103
• 4.5 Background Estimation 104
• 4.6 Systematic Uncertainties 116
• 4.6.1 Object Uncertainties 117
• 4.6.2 Detector Effect Uncertainties 123
• 4.6.3 Theory and Simulation Uncertainties 124
• 4.7 Results 126
• 4.7.1 Statistical Method 126
• 4.7.2 Postfit Distributions and Fit Validation 128
• 4.7.3 Upper Limits 137
• Chapter 5 Conclusion and Discussion 142
• Appendix A Systematic Variations 154
• Appendix B Fit Validation Plots 169
• B.1 Impacts 169
• B.2 Goodness of Fit 169
• 초록 218
• Acknowledgements 219