Wing Sheung Chan

Contents Introduction 1 1. The Standard Model and lepton flavour violation 3 1.1. Units and conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2. The Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.1. Quantum field theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.2. Elementary particles and their interactions . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2.3. The electroweak theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.4. Symmetries and conservations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.5. Flavour violation in the Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.6. Incompleteness of the Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.3. Lepton flavour violation in BSM theories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.1. Heavy neutrinos and the seesaw mechanism . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.2. Supersymmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3.3. Extended Higgs sector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.4. Lepton-flavour-violating Z → `τ decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2. The Large Hadron Collider and the ATLAS detector 27 2.1. The CERN accelerator complex and the LHC . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.1.1. The CERN accelerator complex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.1.2. The Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.1.3. Luminosity and pile-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.2. The ATLAS detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.1. Coordinate system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.2. Overview of the detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2.3. The inner detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.2.4. The calorimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.2.5. The muon spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.2.6. The magnet system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.2.7. Crack regions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.2.8. The trigger system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3. Object reconstruction and identification 45 3.1. Jets and flavour tagging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.1.1. Jet finding and reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.1.2. Flavour tagging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 vii