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Detector Corrected Search for Dark Matter in Monojet and Vector Boson Fusion Topologies with the ATLAS Detector

Spieker, Thomas Malte

German Title: Detektorkorrigierte Suche nach dunkler Materie in Monojet- und Vektorbosonfusion-Topologien mit dem ATLAS Detektor

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Abstract

A detector-corrected dark matter search is presented using 36.2 fb⁻¹ of proton-proton collisions at √s = 13 TeV, delivered by the Large Hadron Collider and recorded by the ATLAS detector. The search targets dark matter production in association with at least one jet as well as dark matter produced in a vector boson fusion topology. The ratio of cross sections between the signal region and two combined control regions is measured differentially as a function of four observables. The control regions target the leptonic decay of Z bosons, in similar topologies like the expected dark matter signal. The data is corrected for detector effects via an unfolding technique to facilitate the comparison to new physics models without the need for a detector simulation. Unfolding strategies with and without background subtraction are investigated, where the latter has been shown to introduce biases on the results. The former strategy is consequently used and the data is found to be in agreement with its predictions. Exclusion limits at 95% confidence level are derived on a simplified dark matter model and the invisible branching fraction of the Standard Model Higgs boson.

Translation of abstract (German)

Eine von Detektoreffekten bereinigte Suche nach Dunkler Materie wird präsentiert, unter der Verwendung von 36.2 fb⁻¹ von Proton-Proton Kollisionen bei √s = 13 TeV, die vom Large Hadron Collider produziert und vom ATLAS Detektor aufgezeichnet wurden. Die Suche zielt auf die Produktion von Dunkler Materie zusammen mit mindestens einem hadronischen Jet und deren Produktion in einer Vektor-Boson-Fusion Topologie. Das Verhältnis zwischen der Signalregion und der Kombination zweier Kontrollregionen wird differenziell als Funktion von vier Observablen gemessen. Letztere messen die Produktion leptonisch zerfallender Z Bosonen, in ähnlichen Topologien wie das erwartete Dunkle Materie Signal. Die Daten werden durch eine Entfaltungsmethode von Detektoreffekten bereinigt, um den Vergleich mit Modellen jenseits des Standardmodells zu vereinfachen, da dann keine Detektorsimulation mehr von Nöten ist. Es werden Strategien für das Entfalten der Daten mit und ohne Hintergrundsubtraktion untersucht, wobei sich zeigt, dass letztere verzerrte Ergebnisse produziert. Folglich wird die erste der beiden Strategien verwendet und es zeigt sich, dass die Daten mit den Erwartungen übereinstimmen. Ausschlussgrenzen bei einem Konfidenzniveau von 95% werden daher für ein vereinfachtes Dunkle Materie Modell abgeleitet. Außerdem werden Ausschlussgrenzen auf das unsichtbare Verzweigungsverhältnis des Higgs Bosons aus dem Standardmodell bestimmt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schultz-Coulon, Prof. Dr. Hans-Christian
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 16 July 2019
Date Deposited: 24 Jul 2019 09:23
Date: 2019
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
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