Search for heavy lepton partners of neutrinos in the context of type III seesaw mechanism in 2012 LHC CMS data

In the thesis the analysis performed for the search for see saw mechanism with heavy fermion weak triplets mediators (type III) is presented. The search is based on the process of see saw mediators via virtual charged boson with the subsequent decay in real vector boson and standard charged leptons. The considered final states host exactly three charged standard leptons and missing transverse energy, which displays indirectly standard neutrinos, and jets. The investigated electric charge sum of three leptons has unit value, both signs. The analysed data sample has been recorded by the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment at the CERN Large Hadron Collider (LHC) in Geneva, Switzerland, during the 2012 proton-proton collisions data-taking period. The data sample consists of a total integrated luminosity of 19.7 /fb at centre of mass energy 8 TeV. The selected trigger algorithms require two charged leptons (dilepton) with transverse momentum above thresholds of 17 GeV and 8 GeV, respectively. The background contributions to the signal events come from standard model processes, mainly involving dibosons, photon asymmetric conversion (Dalitz), and non prompt leptons (Fake). Dalitz and Fake are estimated through two methods using data information. The systematic uncertainty related to the background is dominant with respect the statistic errors. The see saw type III model is in details studied in generation phases. The signal is modelled through Monte Carlo simulation technique for different mediators mass values in the range from 140 GeV to 340 GeV. A possible signal contribution in the analysed data sample is investigated through a cut and count experiment. There is no statistical evidence of signal respect the expected standard model background in the 2012 pp collisions data, so no hints of new physics from see saw type III model is present. The sensitivity of the analysis has been calculated in the background only hypothesis. An upper limits on the production cross sections of the see saw mediators times the branching ratio of the decays with three charged leptons in final states are presented. Then, the upper limits are translated into lower limits on mediators mass value: the observed limit is 240 GeV.

Questa tesi di fisica sperimentale delle alte energie tratta una ricerca dedicata al meccanismo dell'altalena con mediatori tripletti deboli di fermioni pesanti (tipo III). La ricerca e' basata sui processi dove i mediatori del modello ad altalena sono prodotti attraverso un bosone vettoriale carico e virtuale, e decadono in bosoni vettoriali reali e leptoni carichi standard. Gli stati finali considerati contengono esattamente tre leptoni carichi e standard, energia trasversa mancante, che rivela indirettamente la presenza di neutrini standard, e jets. La somma della carica elettrica dei tre leptoni considerata ha valore unitario, di ambo i segni. Il campione di dati analizzati e' stato raccolto dall'esperimento Compact Muon Solenoid (CMS) all'acceleratore Large Hadron Collider (LHC) del CERN, in Ginevra (Svizzera), nel corso del periodo di presa dati in collisioni protone-protone, relativo al 2012. Tale campione di dati consta di una luminosita' integrata pari a 19.7 /fb con energia disponibile nel centro di massa di 8 TeV. Gli algoritmi di trigger selezionati richiedono due leptoni carichi (dileptoni) con impulso trasverso sopra le soglie di 17 GeV e 8 GeV, rispettivamente. I contributi di fondo agli eventi di segnale provengono da processi del modello standard, principalmente dibosoni, conversioni asimmetriche di fotoni (Dalitz) e leptoni provenienti da vertici secondari (Fake). Dalitz e Fake sono stimati attraverso due metodi, che usano le informazioni provenienti dai dati. L'incertezza sistematica relativa al fondo e' dominante rispetto agli errori statistici. Il modello dell'altalena di tipo III e' studiato dettagliatamente nelle fasi di generazione. Il segnale e' modellato attraverso una tecnica di simulazione Monte Carlo per diversi valori di massa dei mediatori nell'intervallo tra 140 GeV e 340 GeV. Un possibile contributo di segnale nel campione di dati analizzati e' investigato con il metodo dell'esperimento taglia e conta. Non c'e' evidenza statistica di segnale rispetto al fondo previsto dal modello standard nei dati del 2012, cosi' si conclude che nessun indizio di nuova fisica da modello di seesaw tipo III e' presente. La sensitivita' dell'analisi e' stata calcolata nell'ipotesi di solo fondo. Sono presentati i limiti superiori sulle sezioni d'urto di produzione dei mediatori nel modello dell'altalena moltiplicati per il rappporto di decadimento nelle catene che portano stati finali con leptoni carichi. Poi, i limiti superiori sono tradotti in limite inferiore sul valore di massa dei mediatori: il limite osservato e' 240 GeV.