Simultaneous measurement of the top quark pair production cross-section and Rb in the ATLAS experiment

Abstract

L’objectiu d’aquesta tesi és mesurar simultàniament la secció eficaç de producció de parelles t¯t i el coeficient Rb 1 a l’experiment ATLAS de l’LHC, a Ginebra. ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) és un dels quatre grans experiments que dur a terme noves investigacions sobre la matèria, l’energia i el temps en funcionament al Gran Col·lisionador d’Hadrons (LHC) al CERN. ATLAS va ser dissenyat per entendre perquè l’Univers és tal com ´es avui en dia. ´És capac¸ d’examinar els constituents més íntims de la matèria més enllà del que ho ha fet mai cap altre experiment i així poder explorar nous fenòmens fonamentals. Els descobriments dels secrets de la natura mitjançant les col·lisions de partícules dins del detector ATLAS és un desafiament científic i tecnològic sense precedents a la història. El detector ATLAS és de gran complexitat, essent el detector més gran mai construït dins el camp de la física de partícules. Hi ha diversos processos físics que tenen estats finals similars a la desintegració del top (bàsicament un leptó, quatre jets i energia transversa perduda (MET)) que considerem com a senyal. Com per exemple, la desintregració dels bosons W i Z a estats finals amb leptons i jets, esdeveniments de QCD que estan formats pràcticament de jets i MET, etc. Una bona identificació per una posterior eliminació d’aquests processos no interessants és de vital importancia per estimar amb una gran precisió els nostres esdeveniments de senyal. Un cop tenim la selecció del nostre senyal optimitzada per obtenir la màxima puressa de quarks top podem començar a fer la mesura de la secció eficaç de producció. Aquesta es fa mitjançant un ”fit” a la distribució de la massa reconstruïda del top hadrònic. Aprofitant la gran correlació que hi ha entre la secció eficac i el paràmetre de la matriu CKM (Vtb) hem inclòs aquest últim al fit, donant l’opció de buscar un límit per nova física. Per millorar els errors sistemàtics (amb 35 pb−1 era 10% a la secció eficaç) també incloem al fit els mateixos errors deixant-los lliures i són les propies dades les que redueixien l’error (amb 1 fb−1 serà 6% a la secció eficaç). Així doncs amb les dades que disposem ( 1 fb−1) podrem aconseguir la mesura més precisa (a data d’avui) per la secció eficaç del top quark i el factor Rb que dóna molt espai per interpretacions de nova física.

The goal of this thesis is the simultaneous measurement of the top quark pair cross-section and the Rb 1 in the ATLAS experiment at the LHC, the Large Hadron Collider, in the France-Swiss border near Geneva. ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), the biggest detector in the LHC, is carrying out new investigations about matter, energy and time. ATLAS was built to understand the world as it is nowadays. The LHC is able to see the smallest constituent of matter far beyond any previous experiment in such a way that we can explore new fundamental phenomena of nature. From a theoretical point of view, the construction of the Standard Model started in the 1960s, giving a common framework for the new particles discovered in the SLAC and CERN colliders among others. After the discovery of the bottom quark, also member of the third quark family, physicists started looking for the top quark. There were some indirect evidences from the Z boson decays which were in agreement with theoretical predictions which included the unseen top quark. Finally, in 1995 at the Tevatron, Fermilab the top quark was discovered, being the heaviest elementary particle of the Standard Model discovered so far. Top decays are extremely complicated since all parts of the detector are required to detect them. Top decays involve leptons (electrons or muons), light jets, b-jets and missing transverse energy (MET). We are interested in the semileptonic decay formally expressed as t¯t ! q′¯qb′¯b and e or μ. There are some physics processes that also include this final state, mainly vector boson decays, but also single top and multi-jet processes which are made of light jets and MET. A good identification and a posterior purge of those not-interesting events is crucial to measure with a high precision our signal events. Once we make the optimal selection of our signal to obtain the purest selection of top quarks, we can proceed and measure the cross-section and Rb. The measurement is done through a profile fit to the reconstructed mass of the hadronic top. Including the profile technique, the systematic uncertainties are also treated as free parameter and therefore, with a high statistics sample, can be constrained by the data themselves. Finally, with 1 fb−1 of LHC data we measure the top quark cross-section with a precision of 6 %, already smaller than present theoretical error.