Search for new particles decaying to a top quark pair with the CMS experiment

Steggemann, Jan; Erdmann, Martin

doi:4336

Search for new particles decaying to a top quark pair with the CMS experiment = Suche nach neuen Teilchen, die in ein Top-Quark-Paar zerfallen, mit dem CMS-Experiment

Steggemann, Jan (Author)

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jan Steggemann

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

UmfangV, 193 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Erdmann, Martin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-11-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-43368
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/197567/files/4336.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
t-Quark (Genormte SW) ; LHC (Genormte SW) ; CMS-Detektor (Genormte SW) ; Standardmodell <Elementarteilchenphysik> (Genormte SW) ; Z-Strich-Boson (Genormte SW) ; Kaluza-Klein-Theorie (Genormte SW) ; Physik (frei) ; top quark (frei) ; topcolor (frei) ; Z' boson (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 14.65.Ha

Kurzfassung
Der Compact-Muon-Solenoid-Detektor nahm 2011 5 fb^{-1} an Proton-Proton-Kollisionsdaten auf, die vom Large Hadron Collider bei einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV geliefert wurden. Die große Zahl an Ereignissen aufgrund von Top-Antitop-Quark-Produktion ermöglicht es, die Produktion und den Zerfall von Top-Antitop-Quark-Paaren in einem neuen Energiebereich präzise zu vermessen. In dieser Arbeit wird die invariante Massenverteilung des rekonstruierten ttquer-Systems (m(tt)) gemessen und mit den Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik verglichen. Mithilfe der gemessenen m(tt)-Verteilung werden Suchen nach neuen Teilchen durchgeführt, die in ein ttquer-Paar zerfallen. Diese neuen Teilchen würden zusätzlich zur m(tt)-Verteilung der Standardmodell-Untergrundprozesse als resonanter Beitrag erscheinen. Der Fokus der Datenanalyse reicht von invarianten Top-Quark-Paar-Massen nahe der Produktionsschwelle, m(tt) ~ 2 m(top), bis in die Region von m(tt) ~ 2 TeV. Die Analyse basiert auf dem Endzustand des ttquer-Systems mit einem geladenen Lepton, d.h. einem Myon oder Elektron, einem Neutrino und vier Teilchenjets, von denen zwei b-Quark-Jets sind. Eine vollständige kinematische Rekonstruktion dieser Ereignisse wird mit einer Chi2-Methode durchgeführt. Die selektierten Ereignisse werden in 8 Kategorien eingeteilt anhand der Zahl der selektierten Jets, der Zahl der Jets, die als b-Quark-Jets identifiziert werden, und anhand der Leptonart (Myon oder Elektron). Diese Einteilung in Kategorien nutzt die verschiedenen Signal-zu-Untergrund-Verhältnisse in den einzelnen Kategorien aus und verbessert damit die statistische Sensitivität der Suche. Die gemessenen m(tt)-Verteilungen in allen 8 Kategorien stimmen gut mit den Erwartungen aus den Untergrundprozessen überein, die anhand des Standardmodells simuliert werden. Die Kompatibilität wird durch eine Anpassung der Untergrundverteilung an die Daten unter Berücksichtigung aller relevanten systematischen Unsicherheiten überprüft. Es werden stringente obere Grenzen des Produktionswirkungsquerschnitts von neuen Teilchen berechnet, die in einer Reihe von Modellen für Physik jenseits des Standardmodells vorhergesagt werden. Die betrachteten Massen reichen von 0.5 TeV bis 2 TeV. Für ein Z'-Modell mit einer Breite, die klein gegen die m(tt)-Auflösung ist, ergeben sich erwartete Ausschlussgrenzen bei einem Vertrauensniveau von 95% im Bereich von 3 pb bis 0.2 pb. Ein leptophobisches Z' in einem Topcolour-Modell mit einer Breite von 1.2% (10%) seiner Masse wird ausgeschlossen für m(Z') < 1.33 TeV (m(Z') < 1.72 TeV). Zusätzlich wird ein Kaluza-Klein-Gluon in einem Randall-Sundrum-Modell ausgeschlossen, das eine Masse von weniger als m(g') = 1.45 TeV hat. Die Auschlussgrenzen können auch modellunabhängig interpretiert werden und verbessern die Auschlussgrenzen des Produktionswirkungsquerschnitts für Teilchen im Bereich kleiner Breiten, die sowohl die CDF- und D0-Kollaborationen als auch die ATLAS-Kollaboration gesetzt haben, in einem großen Teil des betrachteten Massenbereichs.

In 2011, the Compact Muon Solenoid (CMS) detector recorded 5 fb^{-1} of pp collision data delivered by the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of 7 TeV. The large number of events from ttbar production allows to precisely analyse the production and decay of ttbar pairs in an unprecedented energy regime. In this thesis, the invariant mass distribution of the reconstructed ttbar system (m(ttbar)) is measured and compared to predictions according to the Standard Model of particle physics. With the help of the measured m(ttbar) distribution, searches for new particles decaying to a tbar pair are performed. Such new particles would appear as resonant contributions in addition to the non-resonant m(ttbar) distributions from Standard Model background processes. The focus of the data analysis extends from invariant top quark pair masses near the production threshold of m(ttbar) ~ 2 m(top) to the region of m(ttbar) ~ 2 TeV. The analysis is based on the final state of the ttbar system with one charged lepton, i.e. either a muon or an electron, a neutrino, and four jets, of which two are b quark jets. A full kinematic reconstruction of these events is performed with a chi2 method. The selected events are divided in 8 subsamples according to the number of selected jets, the number of jets that are identified as b quark jets, and the lepton flavour (muon or electron). This categorisation takes advantage of the different signal-to-background ratios in the different event categories and improves the statistical sensitivity of the search. The measured m(ttbar) distributions in all 8 subsamples show good agreement with the expectation from the background processes that are simulated according to the Standard Model. The compatibility is tested by performing a background-only fit including all relevant systematic uncertainties. Stringent limits are set on the production cross section for new particles that are predicted by a number of models for new physics. The considered masses extend from 0.5 TeV to 2 TeV, with the corresponding expected cross section limits at 95% confidence level ranging from 3 pb to 0.2 pb for a Z' model with a width that is small compared to the m(ttbar) resolution. A leptophobic topcolour Z' with a width of 1.2% (10%) of its mass is excluded for m (Z') < 1.33 TeV (m(Z') < 1.72 TeV) at 95% confidence level. In addition, a Kaluza-Klein gluon in a Randall-Sundrum model is excluded with a mass up to m(g') = 1.45 TeV. The upper limits can also be interpreted in a model-independent way and improve the limits on the production cross section for narrow-width Z'-like particle set by the CDF and D0 collaborations as well as by the ATLAS collaboration in a large part of the considered mass range.

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