Search for new physics in tt nal states with additional heavy-flavor jets with the ATLAS detector

Abstract

Esta tésis presenta búsquedas de nueva física en estados finales tt ̄ con jets adicionales pesados usando 20,3 fb-1 de datos provenientes de colisiones de pp a una energía de √s = 8 TeV, recogidos en el experimento ATLAS en el LHC. Haciendo uso de este estado final, tres análisis han sido realizados para investigar la inestabilidad de la masa del bosón de Higgs desde diferentes perspectivas. La mayor dificultad para los análisis es conseguir una predicción precisa del background, en concreto tt+bb. Dado que aún no se han realizados medidas de la producción de tt con jets adicionales pesados, los análisis basan la descripción de este proceso en simulación mediante Monte Carlo (MC). Avances recientes en la simulación de MC han conseguido mejorar la descripción del background, y se ha dedicado mucho trabajo a conseguir incluir estas mejoras en el análisis. Los sistemáticos debidos al modelado de tt+bb constituyen la mayor fuente de degradación de la sensiblidad de los análisis. A fin de reducir el impacto de los sistemáticos, el análisis usa un ajuste a los datos para constreñir in-situ los sistemáticos más importantes. Un análisis estadístico detallado es necesario para probar la existencia de una señal en los datos. El primero de los análisis estudia el proceso ttH para medir su producción, de lo cual se puede extraer el acoplo entre el quark top y el bosón de Higgs. Para distinguir la señal ttH del background se usan redes neuronales, y la variable más discriminante viene de aplicar el matrix element method. No se observa evidencia para el proceso ttH, y por tanto se pueden establecer limites con una confianza del 95 %, excluyendo una señal 3.6 veces más grande que la predicción del model estándar. Realizando un ajuste con la hipótesis de señal, el mejor valor para la normalización de la señal es: μ = 1,2 ± 1,3. También se ha realizado una búsqueda de quarks vectoriales emparejados con el top, para estudiar varios modelos que predicen esta señal. El análisis de eventos con un número alto de jets y b-jets, y al mismo tiempo varios objetos con alto pT permiten mejorar la sensibilidad de la búsqueda. No se observa un exceso sobre la predicción y se han fijado límites en varios modelos. El mismo análisis se ha usado también para establecer límites en modelos que predicen estados finales con cuatro quarks top. Se han establecido límites en la producción de cuatro tops en el model estándar, en un modelo efectivo con una interacción de contacto, la producción de pares de sgluons y producción de modos de Kaluza-Klein en un modelos con dos dimensiones extra. Por último, la tesis incluye también una búsqueda de tops bosónicos, o stops, a fin de estudiar modelos supersimétricos donde las búsquedas típicas no tienen sensibilidad. El análisis busca el stop pesado, t2, en modelos donde el t1 es ligero, y la diferencia de masas con el neutralino es parecida a la masa del quark top. No se observa un exceso sobre la predicción de eventos y se han establecido límites en el plano de masas mt2−mχ . Para valores concretos de la masa se han establecido también límites en función de la fracción de decaimiento del t2. Los análisis presentados en esta tesis constituyen los análisis más sensibles en los respectivos canales.

This dissertation presents searches in tt final states with additional heavy-flavor jets using 20.3 fb-1 of pp collision data at √s = 8 TeV, recorded with the ATLAS experiment at the LHC. Exploiting this final state, three analyses are presented that address the instability of the Higgs boson mass from different perspectives. The main challenge for the presented analyses lies in the precise modeling of the background, in particular tt+bb. Since no measurements have been performed yet on the tt production with additional heavy-flavor jets, the analyses have to rely on Monte Carlo (MC) simulation for the background. Recent developments in MC simulation have improved the description of the background, and a great effort is invested in porting the state-of-the-art predictions into the analyses. The systematic uncertainties on the modeling of the tt+bb background constitute the main source of sensitivity degradation. In order to reduce the impact of the systematic uncertainties, the analyses use a profile likelihood fit to reduce in-situ the leading uncertainties. A detailed statistical analysis is performed in order to test for the presence of a signal in the observed data. The first of the analyses aims to study the ttH process and to measure its production rate, from which the top Yukawa coupling can be extracted. Neural networks are used to discriminate the ttH signal from the background, where the most discriminant variable stems from the matrix element method. No evidence for the ttH process is found, and a 95% confidence level (CL) upper limit is set, excluding a signal 3.6 times larger than predicted by the SM. Performing a signal-plus-background fit the best fitted value for the signal strength is found to be: μ = 1.2±1.3. A search for vector-like top partners and four-top-quark production is presented, addressing several models that predict such signatures. The analysis of events with high jet and b-tag multiplicity, as well as multiple high-pT objects allows increasing the sensitivity of the search. No excess over the background expectation is found and 95% CL upper limits are set in different models. The same search is also used to establish limits on models predicting four-top-quark final states. Exclusion limits are set on SM tttt production, tttt production via an effective field theory model with a four-top contact interaction, sgluon pair production and Kaluza-Klein modes production. As last, a search for bosonic top partners, or stops, is presented, addressing supersymmetric models where traditional searches have little sensitivity. A search for the heavier stop, t2, is performed targeting models where the t1 is light and the mass difference to the neutralino is close to the top mass. No excess over the background expectation is found and 95 % CL upper limits are set for different masses in the mt2−mχ. For representative values of the masses exclusion limits are set as a function of the t2 branching ratios. The analyses presented constitute the most sensitive searches to date in their respective channels.