Associated production of Dark Matter with heavy fermions at the RUN3 of the LHC

Abstract

Dark matter (DM) stands as one of the most prominent mysteries that the Standard Model of Particle Physics (SM) has yet to unravel. Several compelling observations indicate the existence of non-baryonic matter in the Universe, which interacts solely through gravitational forces with ordinary matter. Assuming the presence of a new interaction mechanism, three distinct search approaches have arisen, with collider-based searches demonstrating notable potential for uncovering and characterizing the nature of DM. In this thesis, a search is undertaken to explore possible DM particles concealed within the final states of the tt̅ topology. Within the framework of the simplified DM models, this phenomenological analysis involves the reconstruction of a tt̅ system considering the presence of a spin-0 mediator denoted as Y0 that couples to both SM and DM particles. Signal samples of pp → tt̅ Y0 are generated at Next-to-Leading Order (NLO), considering both Charge-Parity (CP)-even and CP-odd couplings of Y0 to the top quarks. The MadGraph5_aMC@NLO framework is employed for this purpose. Various mass scales for the mediator Y0 are explored, ranging from an ultra-low mass region (approximately 0 GeV) to the mass of the Higgs boson (125 GeV). The analysis concentrates on the dileptonic final states of the tt̅ system, while accounting for all relevant SM background processes associated with the dileptonic tt̅ search at the LHC. An event reconstruction algorithm is applied to both signal and background SM samples to reconstruct solely the tt̅ system. Additionally, new CP angular observables are utilized to probe the CP-nature of the coupling between the mediator and top quarks. This leads to the establishment of confidence level (CL) limits for the Yukawa couplings as functions of the mediator mass.

A Matéria Escura destaca-se como um dos mistérios mais proeminentes que o Modelo Padrão da Física de Partículas tem ainda por desvendar. Várias observações convincentes apontam para a existência de matéria não-bariónica no Universo, que interage com a demais matéria bariónica, apenas através de forças gravitacionais. Assumindo a existência de um novo mecanismo de interação, existem estratégias de pesquisas distintas, destacando-se as baseadas em colisionadores, que demonstram um potencial notável para desvendar e caracterizar a natureza da Matéria Escura. Nesta dissertação, é realizada uma pesquisa por partículas passíveis de serem candidatas a Matéria Escura, em estados finais com a topologia tt̅ . Enquadrada em modelos simplificados de produção de Matéria Escura, a análise fenomenológica aqui apresentada envolve a reconstrução de um sistema tt̅ , considerando a presença de um mediador de spin-0, denominado por Y0 que acopla tanto à Matéria Escura como às partículas do Modelo Padrão. Amostras de sinal de pp → tt̅ Y0 são geradas a Next-to-Leading Order (NLO), considerando acoplamentos de Carga-Paridade (CP)-par e CP-ímpar do Y0 aos quarks top. Para este propósito, é utilizado o gerador Monte-Carlo MadGraph5_aMC@NLO. São exploradas várias es calas de massa para o mediador Y0, variando de uma região de massa ultra baixa (aproximadamente 0 GeV) até à região da massa do Bosão de Higgs (125 GeV). Esta análise é focada em estados finais dilep tónicos do sistema tt̅ , e paralelamente considera todos os fundos de sinal do Modelo Padrão associados à pesquisa dileptónica de tt̅ no LHC. É aplicado um algoritmo de reconstrução de eventos às amostras de sinal e de fundos para reconstruir somente o sistema tt̅ . Adicionalmente, novos observáveis angulares de CP, são utilizados para testar a natureza-CP do acoplamento entre o mediador e os quarks top, levando assim ao estabelecimento de limites nos acoplamentos entre o mediador e os quarks top em função da massa do mediador (Confidence Level limits).