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Search for Microscopic Black Holes in Early Data with the ATLAS Detector at the LHC

Henke, Michael

German Title: Suche nach mikroskopischen schwarzen Löchern in den frühen Daten des ATLAS-Detektors am LHC

English Title:

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Abstract

With the start of the LHC in 2010 a new era in Particle Physics has begun. In a yet unexplored kinematic regime, the Standard Model can be probed and new physics can be discovered with the ATLAS detector. In this work the search for microscopic black holes at the LHC is presented. Their discovery would unveil the existence of large extra dimensions. Theories of such, establishing low-scale gravity, address problems of the Standard Model like the hierarchy problem. Different search strategies are discussed, which are aimed at an early discovery with the centre-of-mass energies provided by the LHC. They exploit key features of the decay of black holes, namely high mass final states with a large multiplicity of objects with high pT. With the first 297 1/nb of sqrt(s) = 7TeV data, a search for such new physics is conducted. No deviations from Standard Model predictions are found, and consequently a limit on the cross section times acceptance of sigma × A < 0.46 nb at 95% CL is set. Theory predictions for the cross section are of the order O(10 - 100 pb), hence this result has an impact on theories of low-scale gravity.

Translation of abstract (German)

Durch den Start des LHC im Jahr 2010 wurde eine neue Ära der Teilchenphysik eingeläutet. Das Standardmodell kann in bisher unerforschten Energieregionen untersucht werden. Dort eröffnen sich auch Möglichkeiten zur Entdeckung von neuer Physik. Beides sind Ziele des ATLAS-Experiments. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Suche nach mikroskopischen schwarzen Löchern am LHC. Eine solche Entdeckung wäre ein eindeutiger Hinweis auf die Existenz von niederskaliger Gravitation, vorhergesagt von Theorien mit großen räumlichen Extradimensionen. Diese sind eine mögliche Lösung des Hierarchieproblems im Standardmodell. Verschiedene Suchstrategien für schwarze Löcher werden präsentiert, die für unterschiedliche Schwerpunktsenergien am LHC entwickelt wurden. Sie nutzen charakteristische Eigenschaften solcher Ereignisse zur Selektion. Vorhergesagt sind Endzustände mit hoher Masse und einer großen Anzahl von Objekten mit hohem Transversalimpuls. Für die ersten 297 1/nb an Daten, aufgezeichnet bei sqrt(s) = 7TeV, wird eine Suche nach neuer Physik vorgestellt. Da keine Abweichungen von den Standardmodellvorhersagen gefunden wurden, kann eine obere Grenze auf den Wirkungsquerschnitt mal der Akzeptanz von sigma × A < 0.46 nb gesetzt werden. Da dies deutlich unter den Theorievorhersagen für Wirkungsquerschnitte liegt, welche bis zu einer Größenordnung von O(10 - 100 pb) reichen, ist dieses Ergebnis relevant für Modelle niederskaliger Gravitation.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schultz-Coulon, Prof. Dr. Hans-Christian
Date of thesis defense: 25 May 2011
Date Deposited: 05 Jul 2011 14:54
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Elementarteilchenphysik, LHC
Uncontrolled Keywords: mikroskopische schwarze Löcher , Extradimensionen , ATLAS-Experimentelementary particle physics , LHC , ATLAS experiment , microscopic black holes , extra dimensions
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