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Enhancing low mass dark matter mediator resonance searches with improved triggering in the ATLAS detector

Antel, Claire

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Abstract

Dark matter comprises a significant component of our universe, but its particle nature has evaded particle detectors thus far. Dark matter may be produced in proton collisions at the Large Hadron Collider through the production of a mediator that couples the Standard Model to the dark sector. With no hint of new particles in the most accessible mass range, new search strategies aim to access the challenging phase space that lies at low masses, where current trigger bandwidth limitations have strongly constrained the sensitivity owing to the many low energy interactions that occur within proton collisions. One particular search strategy is the Trigger-object Level Analysis, which circumvents bandwidth limitations by recording only objects reconstructed from partial event information at trigger-level and is therefore intimately linked to the capabilities of the trigger system. The body of work herein encompasses various improvements of the triggering capabilities of the ATLAS detector in order to retain and enhance the sensitivity to new physics. A new bunch-crossing identification algorithm is commissioned for highly saturated pulses, extending the triggerable energy range of the first-level trigger to the new high energies of the LHC Run 2. The algorithm is successfully commissioned and permanently activated for Run 2 data taking. The capability of the high-level jet trigger is expanded in order to utilise trigger-level track reconstruction from the input of a new trigger upgrade. It is demonstrated how this will improve the sensitivity to low mass dark matter resonances in the Trigger-object Level Analysis in future data taking runs of the LHC.

Translation of abstract (German)

Dunkle Materie ist ein wesentlicher Bestandteil unseres Universums, jedoch ist ihre Eigenschaft bisher den Teilchendetektoren entgangen. Dunkle Materie kann in Protonenkollisionen am Large Hadron Collider durch die Herstellung und den anschließenden Zerfall eines Mediators erzeugt werden, der das Standardmodell mit dem dunklen Sektor koppelt. Neue Suchstrategien zielen darauf ab, den schwer zugänglichen Phasenraum bei geringen Massen zu erschließen, bei dem die beschränkte Triggerbandbreite die Sensitivität aufgrund der vielen niederenergetischen Interaktionen in Protonkollisionen stark einschränkt. Eine dieser Suchstrategien ist die Trigger-Objekt-Level-Analyse. In dieser wird die Bandbreitenbeschränkung umgangen, indem Objekte auf Triggerebene gespeichert werden, die ausschließlich aus einem Teil der vollen Ereignisinformation rekonstruiert wurden. Die Analyse ist daher eng mit den Fähigkeiten des Triggersystems verknüpft. Die vorliegende Arbeit umfasst verschiedene Verbesserungen der Triggerfunktionen des ATLAS-Detektors, um die Sensitivität gegenüber neuer Physik zu steigern. Ein neuer Algorithmus zur Identifikation der Protonenkreuzung für hochgesättigte Impulse wurde entwickelt, der den zum Auslösen erforderlichen Energiebereich des First-Level-Triggers auf die neuen hohen Energien des LHC Run 2 erweitert. Der Algorithmus wurde erfolgreich beauftragt und für Run 2 dauerhaft aktiviert. Die Leistung des High-Level-Jet-Triggers wird erweitert, um die Spurrekonstruktion auf Triggerebene als Eingabe eines neuen Trigger-Upgrades zu verwenden. Es wird demonstriert, wie dies die Sensitivität gegenüber niederenergetischer Resonanzen der Dunkle Materie in der Trigger-Objekt-Level-Analyse in zukünftigen Datenerfassungen des LHC verbessern wird.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Dunford, Prof. Dr. Monica
Date of thesis defense: 4 February 2019
Date Deposited: 08 Mar 2019 10:02
Date: 2019
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
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