Measurement of associated Z+charm production and search for W' bosons in the CMS experimented at the LHC

Resumen

¿Sabemos cómo interaccionan las partículas elementales entre ellas?, ¿somos capaces de predecir cual ser¿¿a el resultado de colisiones entre dichas partículas elementales en el LHC? Después del descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, todas las partículas elementales en la versión original del Modelo Estándar de F¿¿sica de Partículas (ME), han sido descubiertas de forma experimental. A día de hoy, el ME es una teoría con una alta capacidad predictiva, ya que es capaz de hacer predicciones teóricas con gran precisión que han sido verificadas de forma experimental en los últimos 50 años. El objetivo científico de esta tesis doctoral es investigar usando datos del detector CMS, si el ME es capaz de predecir la frecuencia a la cual los procesos Z+c y W prima (Wp) son producidos en las colisiones entre protones en el LHC. La primera mitad de la tesis doctoral se dedica a estudiar la posible existencia de un nuevo proceso, Wp desintegrándose en un muon y un neutrino, mediado por la existencia de un bosón Wp que sería responsable de un nuevo tipo de interacción entre partículas. Este tipo de interacciones no existen el ME, sin embargo aparecen en predicciones teóricas en muchas de sus extensiones. En el caso de que dichas interacciones hubiesen ocurrido en la naturaleza, la existencia del bosón Wp podr¿¿a ser demostrada gracias a las energías alcanzas en las colisiones del LHC. La estrategía del análisis se basa en encontrar un exceso de producción en los primeros 2.3 fb¿1 a 13 TeV en sucesos en los cuales se ha formado un muon de alto momento y mucha energía perdida, ambos medidos en el plano transverso del detector. Una vez analizada la muestra, la frecuencia a la cual estos procesos se han medido en CMS se encuentra en acuerdo con las predicciones del ME, desfavoreciendo la producción de nuevas interacciones Wp. Este resultado en el marco teórico del Modelo Estándar Secuencial (SSM), modelo de referencia usado por colaboraciones experimentales para interpretar sus búsquedas, excluye la existencia de bosones W SSM en las cuales el bosón tiene masa menor de 3.9 TeV. Le segunda parte del manuscrito presenta la primera medida en CMS de la producción de un bosón Z asociada con quarks de tipo charm, Z+c. El objetivo del análisis es medir la sección eficaz de producción del proceso Z+c, así como medir su producción relativa respecto al quark bottom, Z+b. Esta nueva medida servirá para poder cuantificar el nivel de precisión las prediciones teóricas del sector fuerte (QCD) del ME y las funciones de distribución de partones (PDF). Para este estudio se ha empleado una muestra de colisiones a 8 TeV de 19.7 fb ¿1 de tamaño. La estrateg¿¿a del análisis experimental se basa en la identificación del bosón Z a través de su desintegración en parejas de electrones o muones con carga opuesta, y la identificación de quarks de tipo charm en tres estados finales independientes: desintegraciones semileptónicas de hadrones de tipo B y D y la reconstrucción de hadrones D± o D¿± (2010). Como resultado de este estudio, la sección eficaz del proceso Z + c ha sido medida en la región fiducial sigma(Z+c) = 8.6+-0.5 (stat)+-0.7 (syst) pb y su producción relativa respecto al quark bottom sigma(Z+c)/sigma(Z+b) = 2.0+-0.2 (stat)+-0.2 (syst). Además, dichas medidas se han hecho también de forma diferencial en función del momento transversal del bosón Z y del momento transverso del quark de tipo charm. Finalmente, estas medidas han sido comparadas con predicciones teóricas llevadas a cabo siguiendo las predicciones del ME. Los resultados presentados en esta tesis ponen de manifiesto, una vez más, la excelente capacidad predictiva del ME utilizando como referencia una nueva medida experimental en CMS, la producción del proceso Z+c. Al mismo tiempo, la búsqueda de nuevas interacciones Wp desintegrándose en un muon y un neutrino a 13 TeV, extiende la validez de sus predicciones para explicar las interacciones entre las part¿¿culas un paso más alto en energía.