Measurement of the production cross section of a top-antitop quark pair in association with a Z boson at √s = 13 TeV with the ATLAS detector

Fischer, Florian Christoph Maria (2020): Measurement of the production cross section of a top-antitop quark pair in association with a Z boson at √s = 13 TeV with the ATLAS detector. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

The coupling of the top quark to the Z boson is precisely predicted within the Standard model of particle physics via the electroweak interaction. However, experimentally it is not yet well constrained and its value can vary significantly in many models featuring physics beyond the Standard Model. A process that is particularly sensitive to this coupling is the associated production of a top-antitop quark pair with a Z boson. The large centre-of-mass energy of the LHC and the tremendous amount of data collected in recent years have opened up the possibility to study this rare process which was previously inaccessible due to its small production cross section. The production cross section of the tt̄Z process is measured, using 139 fb −1 of proton-proton collision data at a centre-of-mass energy of 13 TeV, recorded by the ATLAS detector at the LHC in the years from 2015 to 2018. In order to estimate the expected number of events for both signal and the associated Standard Model background, Monte Carlo simulations are employed. The Z boson is identified by targeting events featuring a pair of electrons or muons with opposite electric charge and an invariant mass consistent with the parent particle. The final targeted signature is then characterised by the number of leptons from the decay of the associated tt̄ system. The first part of this thesis presents several studies conducted in the context of a tt̄Z cross-section measurement that targets the most sensitive decay modes of the tt̄Z process with three or four isolated leptons with high transverse momentum in the final state and reports measurements of both the inclusive and differential cross sections. A series of validation studies are performed for sets of simulated Monte Carlo samples used in the analysis to describe the signal process as well as one of the dominant backgrounds featuring the associated production of single top quarks with both a W and a Z boson. Furthermore, an attempt to reduce the contributions from the dominant background processes in these tt̄Z decay channels – the production of pairs of vector bosons and single top quarks in association with vector bosons – is shown by exploiting the discrimination provided by an algorithm based on a partial reconstruction of the tt̄ system. In the second part of this thesis, a new approach for a measurement of the tt̄Z production cross section in the dilepton channel, labelled 2lOS, is introduced. In contrast to the tt̄Z decay modes with three or four isolated leptons in the final state, the 2lOS channel suffers from significantly larger background rates. In order to isolate the signal from the two dominant background processes – dileptonically decaying tt̄ events and the associated production of a single Z boson with jets – two Boosted Decision Trees are independently trained, with each dedicated to a unique one of the two major background contributions. The output of the two classifiers is then combined in order to select phase space regions highly enriched in events from either signal or either one of the two dominant background processes. A profile-likelihood fit of the Monte Carlo prediction to the data within those regions is employed to determine the inclusive tt̄Z production cross section, which is measured to be σ(tt̄Z) = 0.91 ± 0.08 (stat.) ± 0.14 (syst.) pb with an observed statistical significance of 5.9 σ. The result is found to be in agreement with the most precise theoretical prediction.

Abstract

Die Kopplung des Topquarks an das Z-Boson ist ein elektroschwacher Prozess und im Standardmodell der Teilchenphysik genau vorherbestimmt. Experimentell konnte die Stärke dieser Kopplung bislang nicht genau genug bestimmt werden, um mögliche Beiträge von Prozessen, die von über das Standardmodell hinausgehenden theoretischen Modellen vorhergesagt werden, sicher ausschließen zu können. Ein für diesen Zweck geeigneter Prozess ist die assozierte Produktion von Paaren von Topquark und Antitopquark mit einem Z-Boson. Aufgrund des kleinen Produktionswirkungsquerschnitts ist es erst mit der hohen Schwerpunktsenergie des LHC und der großen Datenmenge, die innerhalb der letzten Jahre gesammelt wurde, möglich geworden, die Produktion von tt̄Z-Ereignissen zu vermessen. Dazu wird eine Datenmenge von 139 fb −1 an aufgezeichneten Proton-Proton-Kollisionen, die in den Jahren 2015 bis 2018 vom ATLAS-Detektor am LHC mit einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV aufgezeichnet wurden, verwendet. Die Anzahl zu erwartender Ereignisse des Signalprozesses und der durch das Standardmodell beschriebenen Untergrundprozesse wird mit Monte-Carlo-Simulationen abgeschätzt. Das Z-Boson wird anhand seiner Zerfallsprodukte identifiziert, die aus einem Elektron- oder Myonpaar mit entgegengesetzter elektrischer Ladung bestehen, dessen invariante Masse mit der des Z-Bosons kompatibel ist. Die Signatur der untersuchten tt̄Z-Ereignisse wird somit durch die Zerfallsprodukte des assoziierten tt̄-Systems bestimmt. Der erste Teil dieser Disseration beinhaltet mehrere Studien, die im Rahmen einer Messung des inklusiven und differentiellen tt̄Z-Wirkungsquerschnitts durchgeführt wurden. Hierzu werden die sensitivsten tt̄Z-Zerfallskanäle mit drei oder vier isolierten Leptonen mit großem Tranversalimpuls im Endzustand verwendet. Mehrere simulierte Monte-Carlo-Datensätze zur Beschreibung tt̄Z bzw. der assoziierten Produktion einzelner Topquarks mit einem Z- sowie einem W-Boson werden validiert. Des Weiteren wird ein Versuch zur Minimierung der Beiträge dominanter Untergrundprozesse – der Produktion zweier Vektorbosonen sowie der assoziierten Produktion einzelner Topquarks mit Vektorbosonen – aufgeführt. Um dabei tt̄Z von den genannten Untergründen hinreichend abzugrenzen, wird das tt̄-System teilweise rekonstruiert. Im zweiten Teil der vorliegenden Disseration wird ein neuer Ansatz zur Messung des inklusiven Produktionswirkungsquerschnitts von tt̄Z-Ereignissen mit zwei isolierten Leptonen im Endzustand, dem sogenannten 2lOS-Zerfallskanal, eingeführt. Im Gegensatz zu den Zerfallskanälen mit drei oder vier isolierten Leptonen im Endzustand ist der Anteil an Untergrundereignissen wesentlich größer. Zur Trennung von Signalereignissen von den beiden dominanten Untergrundprozessen – dileptonisch zerfallender tt̄-Ereignissen und der assoziierten Produktion eines Z-Bosons mit Jets – werden zwei Boosted Decision Trees unabhängig voneinander auf jeweils einen dieser beiden Untergründe trainiert. Mithilfe des Unterscheidungsvermögens beider Boosted Decision Trees können Phasenraumbereiche mit einer hohen Reinheit Signal- bzw. Untergrundereignissen ausgezeichnet werden. Der Produktionswirkungsquerschnitt wird mittels eines profile-likelihood-Fits der Anzahl von simuliertem Monte-Carlo-Ereignissen an die Daten in diesen Regionen bestimmt, wobei ein Wert von σ(tt̄Z) = 0,91 ± 0,08 (stat.) ± 0,14 (syst.) pb mit einer statistischen Signifikanz von 5,9 σ gemessen wird. Der gemessene Wert des Produktionswirkungsquerschnitts stimmt mit den genauesten theoretischen Vorhersagen überein.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 14. Dezember 2020
• 1. Bericht­erstatter:in: Biebel, Otmar