Searching for neutral long-lived particles with hadronic decays in the ATLAS experiment and identification of non-collision backgrounds

Esta tesis se centra en búsquedas de partículas de vida larga (LLPs, por sus siglas en inglés) que se desintegran hadrónicamente, produciendo jets desplazados dentro del calorímetro hadrónico del detector ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Se presentan dos búsquedas que utilizan datos de colisiones protón-protón del Run 2, recogidos en el periodo entre 2015 y 2018, con una energía de centro de masa de 13 TeV. La primera búsqueda investiga pares de desintegraciones de LLPs neutras, mientras que la segunda se centra en un jet desplazado en el calorímetro hadrónico en asociación con un bosón W del Modelo Estándar (SM). Las búsquedas presentadas en esta tesis amplían la cobertura del espacio de fase de las LLPs en términos de masa y vidas medias para modelos de Sector Oculto y partículas similares al Axión (ALP). Ambas búsquedas comparten la firma del jet hadrónico desplazado, que se identifica mediante una red neuronal especialmente diseñada para esta tarea. Se utilizan herramientas y metodologías similares, incluyendo el método ABCD basado en datos para la estimación del fondo. En ambos casos, el número de eventos observados es consistente con el fondo esperado, y se derivan límites superiores para señales de referencia del Sector Oculto y ALP. Los límites de exclusión del Sector Oculto para la producción de escalares de vida media larga se extienden en el rango intermedio entre la cobertura de vidas medias en el detector interno y el espectrómetro de muones de ATLAS. Una contribución importante es la inclusión, por primera vez, de modelos de ALP fotofóbicos desplazados en ATLAS. Para ALPs con masas entre 100 MeV y 40 GeV, se excluyen secciones eficaces de producción superiores a 0.1 pb en el rango de 0.1 mm a 10 m, dependiendo del modelo, siendo los primeros límites de exclusión en este espacio de parámetros. Un segundo tema principal de esta tesis es la identificación de fondos no relacionados con colisiones, que afectan las búsquedas de LLPs que investigan desintegraciones desplazadas de LLPs neutras. A este respecto, se presentan dos estudios. En primer lugar, la identificación del fondo inducido por el haz (BIB, por sus siglas en inglés) en los calorímetros de ATLAS. El objetivo de este trabajo es mejorar los algoritmos existentes utilizados para la identificación de jets falsos de BIB, que tenían una alta probabilidad de identificación errónea durante el Run 2 debido al aumento del apilamiento. En segundo lugar, se presenta un estudio sobre el número de K-Longs inducidos por rayos cósmicos que producen vértices desplazados en el propuesto detector de LLPs MATHUSLA.