Measurement of the top quark pair production cross section in proton-proton collisions at center-of-mass energies of 7 TeV in final states with a tau lepton with the ATLAS detector
- Autores: María Teresa Pérez García-Estañ
- Directores de la Tesis: Susana Cabrera Urbán (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de València ( España ) en 2014
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Inmaculada Riu Dachs (presid.), Carmela García García (secret.), Serban Protopopescu (voc.)
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- Resumen
El Modelo Estándar (SM) de la Física de Partículas es una teoría cuántica de campos desarrollada en los años 60 para explicar el comportamiento de las partículas elementales y las fuerzas fundamentales que gobiernan sus interacciones. El Modelo Estándar ha sido comprobado experimentalmente, ha pronosticado con gran precisión una amplia variedad de fenómenos y ha explicado con éxito numerosos resultados experimentales. Para la exploración de fenómenos de nueva Física, la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) ha construido un acelerador y colisionador de partículas, el Gran Colisionador de Hadrones, LHC. El acelerador, los detectores y la infraestructura informática necesarias para producir y estudiar colisiones de protones convierten al LHC en una de las instalaciones científicas más grandes y complejas jamás construidas. El programa de física del quark top es de gran importancia en el LHC ya que el quark top posee el mayor acoplamiento al bosón de Higgs Estándar, responsable de proporcionar masa a las partículas fundamentales. Las altas energías obtenidas y la gran cantidad de datos recogidos hacen posible medir con gran precisión las propiedades del quark top en el LHC, mejorando nuestro entendimiento de la Física de Partículas y abriendo la puerta a nuevos descubrimientos. En particular, los estudios presentados en esta tesis se focalizan en la producción de pares de quark top en estados finales con dos leptones, uno de los cuales es un tau que se desintegra hadrónicamente. Los leptones tau juegan un papel importante en las búsquedas de bosones de Higgs Estándar y más alla del Modelo Estándar. Un bosón de Higgs Estándar se puede producir en asociación con un par de quarks top y desintegrarse a dos leptones tau aproximadamente un 10% de las veces para bajos valores de masa del bosón de Higgs. Este canal de desintegración proporciona una medida directa del acoplamiento del bosón de Higgs a fermiones, aportando una sólida evidencia de que los fermiones adquieren su masa a través del mecanismo de Higgs. Si existe un bosón de Higgs cargado, tal y como predice la teoría MSSM, y su masa es menor que la del quark top menos la del quark bottom, entones el quark top se desintegra predominantemente en un Higgs cargado y un quark b. Un bosón de Higgs cargado más pesado que el quark top puede producirse en asociación con él. En algunos escenarios el Higgs cargado se desintegra predominantemente en un leptón tau y un neutrino, produciendo un exceso en el canal leptón más tau sobre otros canales dileptónicos que, de ser observado, constituiría una evidencia experimental de la existencia de un bosón de Higgs cargado. La medida de la sección eficaz de producción de pares de top quark en el canal leptón más tau presentada en esta tesis se ha obtenido analizando 2.05 fb-1 de datos de colisiones protón-protón a energía del centro de masa de 7 TeV recogidos con el detector ATLAS en 2011. Los eventos de pares de quark top con un leptón y un tau en el estado final son seleccionados atendiendo a la topología de dichos estados finales en el detector: un electrón o muón de alto momento transverso, 2 jets de alta energía, al menos uno de ellos identificado como un b-jet, alta energía transversa perdida debida a los neutrinos y un leptón tau que se desintegra hadrónicamente. El principal fondo tras la selección procede de eventos de pares de quark top con un leptón y un jet en el estado final en los que un jet ha sido falsamente identificado como un tau hadrónico. El único discriminador, pues, entre señal y fondo es la identificación de leptones tau. En este análisis explotamos una variable discriminante, BDTj, obtenida mediante técnicas multivariadas de árboles de decisión y especialmente entrenada para separar taus hadrónicos de otro tipo de jets. Las contribuciones de señal y fondo en la muestra de datos se estiman mediante un ajuste chi2 de las distribuciones BDTj de los tau reconstruidos en los datos con un patrón de señal obtenido mediante simulación y patrones para los fondos obtenidos a partir de datos para minimizar las incertidumbres sistemáticas. Se emplean dos patrones de fondo diferentes, uno para jets producidos por la hadronización de quarks ligeros y otro para los jets producidos por la hadronización de gluones, que constituyen la mayor fuente de falsos taus para la señal tras los cortes de selección. Los parámetros del ajuste son la cantidad de fondo y de señal, manteniendo fija la forma de las distribuciones. La sección eficaz medida para la producción de pares de quark top en el canal leptón más tau excede la precisión de medidas anteriores en el mismo canal realizadas por los experimentos CDF, D0 y CMS. También se mejoran los resultados previos publicados por ATLAS, reduciendo la incertidumbre estadística en la medida de la sección eficaz y mejorando la descripción de los fondos mediante la construcción de un modelo que refleja adecuadamente la composición de jets para estimar correctamente la contaminación de falsos taus en la región de señal. Las incertidumbres sistemáticas dominan la medida y se han mantenido al mismo nivel de anteriores medidas. La sección eficaz medida está en buen acuerdo, dentro de las incertidumbres, con la predicción teórica del Modelo Estándar. Asimismo, los resultados obtenidos son consistentes con las secciones eficaces medidas por ATLAS en otros canales de desintegración. Hemos desarrollado una técnica novedosa que tiene un gran potencial para alcanzar precisiones elevadas en la medida de la sección eficaz cuando se aplique a muestras de datos con mucha estadística y se puede utilizar para comprobaciones del Modelo Estándar y búsquedas de nueva física en las futuras colisiones de protones que se esperan en el LHC a partir de 2015, con una energía de centro de masas de 13-14 TeV.
