Measurement of spin correlation in dileptonic top quark pair decays with the CMS experiment

Höhle, Felix; Stahl, Achim; Bernreuther, Werner

doi:HT018695530

Measurement of spin correlation in dileptonic top quark pair decays with the CMS experiment = Messung von Spin-Korrelationen in dileptonischen Top-Quark-Paar-Zerfällen mit dem CMS-Experiment

Höhle, Felix

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Felix Höhle

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

UmfangX, 107 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Stahl, Achim (Thesis advisor) ; Bernreuther, Werner (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-07-02

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-034567
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/480130/files/480130.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/480130/files/480130.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; LHC (frei) ; CMS (frei) ; spin (frei) ; correlation (frei) ; dileptonic (frei) ; pair (frei) ; template (frei) ; fit (frei) ; measurement (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Der Large Hadron Collider am Forschungszentrum CERN bei Genf ist zur Zeit der leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger der Welt. Im Jahr 2011 erreichten die Proton-Proton-Kollisionen eine Schwerpunktsenergie von \sqrt{s} = 7 TeV bei einer instantanen Luminosität von bis zu L = 4,07 · 1033 cm^−2 s^−1. Das CMS Experiment zeichnete bei dieser Schwerpunktsenergie eine integrierte Luminosität von Lint= 5,55 fb^−1 auf, welcheeiner Menge von ungefähr 850.000 Top-Quark-Paar Ereignissen entspricht. Diese werden überwiegend durch Gluon-Gluon-Fusion erzeugt, die Top-Quark-Paare mit gleichem Spin bevorzugt. Daher ergibt sich eine von Null verschiedene Asymmetrie für die Anzahl der Top-Quark-Paare mit gleichem und ungleichem Spin. Aufgrund der sehr kurzen Lebensdauer der Top-Quarks zerfallen diese bevor sie hadronisieren. Daher werden die Spin-Eigenschaften nicht verwaschen und die anfängliche Helizität der Top-Quarks hat Einfluß auf die kinematischen Größen der Zerfallsprodukte. Verteilungen, die aus den kinematischen Variablen der Zerfallsprodukte gebildet werden, sind deswegen abhängigvon der Asymmetrie der Top-Quark-Spins. Die Standardmodell Vorhersage für diese Asymmetrie beträgt A = 0,31. Eine sensitive Variable für Spin-Korrelationen ist die Differenz des Azimuts, ∆φ, der Leptonen in dileptonischen Top-Quark-Paar Zerfällen. Diese Arbeit präsentiert eine Messung der Asymmetrie A, die mit der Standart Modell Vorhersage verglichen wird. Die Messung wird anhand der in 2011 vom CMS Experiment aufgezeichneten und validierten Proton-Proton-Kollisionen durchgeführt, welche einer integrierten Luminosität von 5,0 fb^−1 entsprechen. Es werden Top-Paar-Zerfälle betrachtet, wobei das Top-Quark über ein W Boson schwach in ein Elektron oder Myon zerfällt. Mit Hilfe einer optimierten Selektion werden diese Ereignisse aus den aufgezeichneten Daten selektiert und insgesamt 11.638 Ereignisse nach dieser Selektion analysiert. Untergrund Prozesse werden mit Hilfe von Monte Carlo Generatoren und Daten basierten Methoden abgeschätzt und modelliert. Die ∆φ Verteilung der selektierten Ereignisse wird mittels eines Template Fits untersucht, der die Ähnlichkeit zur Standardmodell Erwartung und einem alternativen Modell mit verschwindender Spin-Korrelation, A = 0, ermittelt. Anschließend werden verschiedene systematische Unsicherheiten betrachtet und deren Einfluss auf die Messung abgeschätzt. Als finales Ergebnis wird eine Asymmetrie von A = 0,24 ± 0,03(stat.) ± 0,07(sys.) in Daten gemessen, die innerhalb der Unsicherheiten mit der Standardmodell Erwartung vereinbarist.

The Large Hadron Collider close to Geneva is the world must powerful particle accelerator with a center of mass energy of \sqrt{s} = 7 TeV and providing instantaneous luminosityof up to L = 4.07·1033 cm^−2 s^−1 during 2011. The CMS experiment recorded during this run period a dataset of an integrated luminosity of Lint= 5.55 fb^−1 corresponding to 850,000 top quark pair events. These are predominantly produced by gluon-gluon fusion preferring top quark pairs with same spin. Therefore, the spin directions of top quarkpairs are correlated and the asymmetry between the number of top quark pairs with same and not same spin is not vanishing. The top quarks decay before hadronization takes place due to their high mass. Hence, the kinematics of their decay products are influenced by their helicity and the initial spin asymmetry is accessible via their decayproducts. The Standard Model predicts an asymmetry of A= 0.31 for proton-proton collisions at \sqrt{s} = 7TeV. The difference of the azimuth, ∆φ, of the two leptons in dileptonic top quark pair decays is sensitive to spin correlations and provides access to the asymmetry. This thesis presents a measurement of the asymmetry A and tests its Standard Model prediction. The 2011 dataset of proton-proton collisions is investigated. The data contains validated collisions corresponding to an integrated luminosity of 5.0 fb^−1. The asymmetry is extracted from top quark pair events, which decay electroweak into electrons and muons as signal signature. The signal event yield is enriched by an optimized selection with a final set of 11,638 candidate signatures. Event yields and differential distributions of background processes are modeled by Monte Carlo methods and normalized by data-driven methods. The obtained ∆φ distribution of the selected events is investigated by a template fit, which quantifies the similarity to Standard Model expectation and a model of vanishing spin correlation. Finally, the influence of several systematic uncertainties on the measurement is studied. An asymmetry ofA = 0.24 ± 0.03(stat.) ± 0.07(sys.) is measured in data, which is compatible with the Standard Model expectation within the given uncertainties.

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