FCC-pp çarpıştırıcılarında vektör benzeri leptonların aranma potansiyeli

Abstract

Elektrozayıf ve güçlü etkileşmeleri birleştiren Standart Model (SM), temel parçacıklar ve etkileşmeleri ile ilgili çok sayıda deneysel sonucu doğru olarak yorumlamaktadır. Öte yandan Standart Model temel parçacıkların özellikleriyle ilgili bazı önemli soruları yanıtsız bırakır. Bu nedenle farklı Standart Model Ötesi modeller önerilmiştir. Bu modeller yeni parçacıkların ve etkileşmelerin varlığını öngörmektedir. Vektör benzeri kuarklar ve leptonlar önerilen parçacıklar arasında önemli bir yere sahiptir. Vektör benzeri kuarkların aranması ile ilgili ATLAS ve CMS deneylerinde detaylı çalışmalar yapılmakta iken, vektör benzeri leptonlar (VBL) için durum böyle değildir. Halbuki, parçacık fenomenolojisi açısından vektör benzeri kuarklar ve leptonlar aynı statüye sahiptir. Vektör benzeri kuarklar ve leptonları öngören iki kuvvetli argüman bulunmaktadır: Çeşni Demokrasisi ve iso-singlet kuarklar ile iso-doublet leptonların varlığını öngören E6 Büyük Birleşim Kuramı'dır. Bu tez kapsamında vektör benzeri leptonların proton-proton çarpıştırıcılarında aranması ele alınmıştır. Yüksek Işınlıklı Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda (HL-LHC: √𝑠 = 14 𝑇𝑒𝑉, ℒ𝑖𝑛𝑡 = 3 𝑎𝑏−1), Yüksek Enerjili Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda (HE-LHC: √s = 27 TeV, ℒint = 10 𝑎𝑏−1) ve Gelecek Dairesel Çarpıştırıcı proton-proton seçeneğinde (FCC-pp: √𝑠 = 100 𝑇𝑒𝑉, ℒ𝑖𝑛𝑡 = 20 𝑎𝑏−1) VBL'lerin üretim tesir kesitleri hesaplanmıştır. Vektör benzeri leptonların olası bozunum kanalları irdelenmiştir. 𝑝𝑝 → E+𝐸− + 𝑋 → 𝑒+𝑒−𝜇+𝜇−𝑏𝑏̅ + 𝑋 süreci göz önüne alınarak dışarlama, gözleme ve keşif için kütle limitleri belirlenmiştir. Bu sürecin seçilmesinin nedenleri: i) son durumun nötrino içermemesi sayesinde kayıp enerjiden kaçınabilmek, ii) aynı aileye ait birden fazla lepton ikilisi (çoklu-lepton) görülmemesi sayesinde de kombinatorik probleminden kurtulmaktır. Bu nedenler ayrıca SM'den gelen ardalanın azalmasını sağlayıp analizin daha hassas sonuçlar vermesini de sağlamaktadır. Bu süreçte leptonlardan birisi 𝑍𝑒 kanalına, diğeri 𝐻𝑒 kanalına bozunmaktadır. 𝑍 ve 𝐻 ise sırasıyla 𝜇+𝜇− ve 𝑏𝑏̅ 'ye bozunur. Karşılaştırma amaçlı FCC ile birlikte HL-LHC ve HE-LHC çarpıştırıcıları için de hesaplamalara yer verilmiştir. HL-LHC'de iso-singlet vektör benzeri yüklü leptonlar 595 GeV kütle değerine kadar, iso-doublet vektör benzeri yüklü leptonlar 930 GeV kütle değerine kadar; HE-LHC'de iso-singlet VBL'ler 1100 GeV değerine kadar, iso-doublet VBL'ler 1700 GeV'e kadar gözlenebilirken FCC bu kütle değerlerini iso-singlet için 2575 GeV ve iso-doublet için 4200 GeV değerine çıkartır. Iso-singlet (iso-doublet) keşif değerleri HL-LHC'de 460 (770) GeV, HE-LHC'de 875 (1400) GeV ve FCC'de 1975 (3400) GeV'dir.

Combining electroweak and strong interactions, the Standard Model (SM) correctly interprets many experimental results about elementary particles and their interactions. On the other hand, the Standard Model leaves some important questions about the properties of elementary particles unanswered. Therefore, different Beyond the Standard Model models have been proposed. These models predict the existence of novel particles and interactions. Vector-like quarks and leptons have an important place among the proposed particles. While detailed research is continuing in ATLAS and CMS experiments on the search for vector-like quarks, this is not the case for vector-like leptons (VLLs). However, vector-like quarks and leptons have the same status in terms of particle phenomenology. There are two strong arguments for vector-like quarks and leptons: the Flavor Democracy and the E6 Grand Unification Theory, which predicts the existence of iso-singlet quarks and iso-doublet leptons. In this thesis, the search for vector-like leptons at proton-proton colliders is considered. The production cross-sections of the VLLs were calculated for High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC: √𝑠 = 14 𝑇𝑒𝑉, ℒ𝑖𝑛𝑡 = 3 𝑎𝑏−1), High Energy Large Hadron Collider (HE-LHC: √𝑠 = 27 𝑇𝑒𝑉, ℒ𝑖𝑛𝑡 = 10 𝑎𝑏−1) and Future Circular Collider 𝑝𝑝 option (FCC-pp: √𝑠 = 100 𝑇𝑒𝑉, ℒ𝑖𝑛𝑡 = 20 𝑎𝑏−1) proton-proton colliders. Possible decay channels of vector-like leptons are discussed. Mass limits for exclusion, observation and discovery were determined considering the 𝑝𝑝 → 𝐸+𝐸−+𝑋 → 𝑒+𝑒−𝜇+𝜇−𝑏𝑏̅ + 𝑋 process. The reasons for choosing this process are: i) to avert lost energy because the final state does not contain neutrinos, and ii) to get rid of the combinatorics problem by not seeing more than one pair of leptons belonging to the same family (multi-leptons). These reasons also reduce the background from the SM, allowing the analysis to give more precise results. In this process, one of the leptons decays into the 𝑍𝑒 channel and the other into the 𝐻𝑒 channel. 𝑍 and 𝐻 decay to 𝜇+𝜇−and 𝑏𝑏̅, respectively. Calculations for the HL-LHC and HE-LHC colliders are also included, along with the FCC for comparison. HL-LHC can observe, iso-singlet vector-like charged leptons up to 595 GeV, and iso doublet vector-like charged leptons up to 930 GeV. At the HE-LHC, iso-singlet VLLs can be observed up to 1100 GeV and iso-doublet VLLs up to 1700 GeV, while the FCC increases these mass values to 2575 GeV for iso-singlet and 4200 GeV for iso doublet. Iso-singlet (iso-doublet) discovery values are 460 (770) GeV at the HL-LHC, 875 (1400) GeV at the HE-LHC, and 1975 (3400) GeV at the FCC.