Study of the effects of detector issues on emerging jets for possible signatures of dark matter

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Suárez Barbosa, Cristhian A.
Embargoed Until
Malik, Sudhir
College of Arts and Sciences - Sciences
Department of Physics
Degree Level
The main issues encountered during data collection between 2016 and 2018 in the CMS detector are discussed in this work. We focus on identifying how these issues impact experimental physics beyond the Standard Model (SM). A set of potential new physics scenarios exist in this field, which requires knowing what objects can be discovered and in which direction to search for evidence of new physics. One such object is the emerging jet, created when dark mesons decay into SM quarks with a long lifetime, causing the jets to appear in a different location inside the detector. As the dark mesons do not interact with the detector, they travel some distance before decaying. Each set of SM particles originates at a different distance from the interaction point. The detection of possible emerging jets relies on high precision. In 2018, a power loss was experienced in a section of one end of the hadronic endcap calorimeter during the data-taking period in the CMS (Compact Muon Solenoid). The affected region, located at 1.3 < |η| < 3, impacts the jet energy measurement. Additionally, the possible mitigation of deadtime induced in the APV25 readout chip due to the passage of a highly-ionizing particle (HIP) observed in 2016 was validated. This effect, referred to as the "HIP effect," worsens with increasing luminosity, and the loss of hits causes a loss in hit efficiency, tracking efficiency, and the signal-to-noise ratio for track hits, as well as an increase in the number of short reconstructed tracks with hits only in the pixel detector.

El siguiente trabajo discute los principales problemas encontrados durante la recolección de datos entre 2016 y 2018 en el detector CMS. Estos problemas han sido ampliamente estudiados por diferentes grupos de análisis. Sin embargo, nos interesa identificar cómo estos problemas afectan la física experimental más allá del Modelo Estandar (SM). Este campo consiste en un conjunto de posibles escenarios de nueva física, lo que implica conocer de antemano qué objetos se pueden descubrir y en qué dirección buscar evidencia de nueva física. Uno de estos objetos es el jet emergente, que se crea cuando los mesones oscuros se desintegran en quarks del SM con una vida media prolongada, lo que provoca que los jets aparezcan en una ubicación diferente dentro del detector. Como los mesones oscuros no interactúan con el detector, estos viajan una cierta distancia antes de desintegrarse. Cada conjunto de partículas del SM se origina a una distancia diferente del punto de interacción. La detección de posibles jets emergentes depende de una alta precisión. En 2018, durante el período de toma de datos en el CMS (Solenoid Muón Compacto), una sección de un extremo del calorímetro de extremo hadrónico experimentó una pérdida de energía. La región afectada es 1.3 < |η| < 3 y la medición de energía del jet en esta región se ve afectada. Además, también validamos la posible mitigación del tiempo muerto inducido en el chip de lectura APV25 debido al paso de una partícula altamente ionizante (HIP) observada en 2016. Este efecto, llamado "efecto HIP", empeoró con el aumento de la luminosidad, y la pérdida de hits causó una pérdida en la eficiencia de hits, la eficiencia de seguimiento y la relación señal-ruido para los hits de seguimiento, así como un aumento en el número de pistas reconstruidas cortas con hits solo en el detector de píxeles.
Dark matter,
CMS detector,
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Suárez Barbosa, C. A. (2023). Study of the effects of detector issues on emerging jets for possible signatures of dark matter [Thesis]. Retrieved from