The search for magnetic monopoles with Missing Transverse Energy and the luminosity monitoring with the ZCounting method in CMS Experiment

Esta tese apresenta dois tópicos complementares desenvolvidos no Experimento CMS do Large Hadron Collider (LHC): um estudo sobre o monitoramento da luminosidade a partir da produção de bósons Z e a busca dedicada por monopólos magnéticos, partículas hipotéticas que, se descobertas, transformariam a nossa compreensão da física fundamental. O método denominado ZCounting estabelece uma abordagem baseada em dados para medir e monitorar a luminosidade integrada a partir da contagem do número de bósons Z. Esse método é caracterizado pela sua estabilidade de longo prazo e consistência entre diferentes anos do período de tomada de dados, especialmente relevantes à medida que o LHC caminha para condições de maior luminosidade e pile-up. A robustez, linearidade e independência de calibrações externas desse método são avaliadas usando os primeiros conjuntos de dados do Run 3. O foco da tese consiste na busca por monopólos magnéticos em colisões próton-próton a √ s = 13 TeV. Motivada pela proposição original de Dirac, a análise foca em monopólos com carga magnética unitária (gD = 1) e massas na escala de TeV, dentro do alcance do detector CMS. As simulações de sinal abrangem os principais mecanismos de produção, como Drell–Yan e a fusão de fótons, considerando os estados de spin 0 e spin 1/2. Devido à sua carga magnética extremamente elevada, os monopólos causam uma saturação considerável no detector de pixels do CMS e produzem depósitos de energia altamente localizados no ECAL, semelhantes a “picos” de ruído. Essas características atípicas, especialmente no ECAL, ativam mecanismos de rejeição projetados para suprimir contribuições de ruído, o que reduz significativamente a eficiência dos triggers padrões do CMS para tais eventos. Para esta análise, duas estratégias foram desenvolvidas. A primeira explora semelhanças com fótons de alta energia, utilizando triggers do tipo SinglePhoton, enquanto a segunda interpreta a rejeição do sinal considerada como contribuição de energia transversal perdida (MET), permitindo uma busca por meio de triggers PFMET. Ambas as estratégias utilizam observáveis — como o dE/dxSignificance, capturando a sua alta capacidade de ionização, e f51 caracterizando o padrão comapcto de energia. Devido À peculiar natureza do sinal, um método baseado em dados é utilizado para a estimativa de eventos de fundo. Os resultados finais, derivados do conjunto completo de dados do Run 2, sem a consideração da região de sinal, estabelecem os limites esperados mais restritivos até hoje para a produção de monopólos no experimento CMS. Este trabalho expande os limites da sensibilidade experimental a monopólos magnéticos, ao mesmo tempo em que contribui para o conjunto de ferramentas de precisão necessário para a operação em alta luminosidade por meio do monitoramento da luminosidade baseado em bósons Z.