Precise predictions for top-quark pair production with additional jets at the LHC

Lupattelli, Michele; Harlander, Robert V.; Worek, Malgorzata

doi:HT030359417

Precise predictions for top-quark pair production with additional jets at the LHC = Präzise Vorhersagen für die Produktion von Top-Quark-Paaren mit zusätzlichen Jets am LHC

Lupattelli, Michele^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Michele Lupattelli, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Worek, Malgorzata (Thesis advisor)^RWTH* ; Harlander, Robert V. (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-09-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-09056
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/969251/files/969251.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
LHC (frei) ; particle physics (frei) ; phenomenology (frei) ; top quark (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Diese Arbeit präsentiert neue theoretische Vorhersagen für die Paarproduktion von Top-Quarks in Verbindung mit zwei $b$-Jets $pp \rightarrow t\bar{t}b\bar{b}$ und mit zwei leichten Jets $pp \rightarrow t\bar{t}jj$ am Large Hadron Collider mit einer Schwerpunktsenergie von $\sqrt{s} = 13$ TeV. Die Ergebnisse werden im Dilepton-Zerfallskanal des Top-Quarks präsentiert, was den vollständig zerfallenen Endzuständen $pp \rightarrow e^+ \nu_e \mu^- \bar{\nu}\mu b\bar{b} b \bar{b} + X$ und $pp \rightarrow \ell^+ \nu{\ell} \ell^- \bar{\nu}_{\ell} b\bar{b} jj + X$ entspricht, wobei $\ell^\pm = e^\pm, \mu^\pm$.Die Berechnungen werden sowohl für die Produktion als auch für die Zerfälle des Top-Quarks in nächstführender Ordnung (NLO) in der QCD-Genauigkeit unter Verwendung des Monte-Carlo-Programms Helac-Nlo durchgeführt. Wir liefern Vorhersagen für den integrierten fiduziellen Wirkungsquerschnitt und differentielle Verteilungen, während wir die Größe der NLO-QCD-Korrekturen und theoretischen Unsicherheiten untersuchen. Vorhersagen für $pp \rightarrow t\bar{t}b\bar{b}$ werden unter Berücksichtigung vollständiger Off-Shell-Effekte sowie unter Verwendung der narrow width approximation (NWA) erhalten. Durch den Vergleich der beiden Berechnungen untersuchen wir die Auswirkungen der vollständigen Off-Shell-Effekte sowohl auf integrierter als auch auf differentieller Ebene. Wir präsentieren auch eine detaillierte Studie über das Bottom-Quark und die $b$-Jets, die am Prozess beteiligt sind, indem wir die Auswirkungen der $b$-Quark-initiierten Teilprozesse untersuchen und eine Methode zur Klassifizierung der $b$-Jets im Endzustand angeben. Anschließend vergleichen wir unsere Ergebnisse mit einer unabhängigen Berechnung unter vollständiger Berücksichtigung der Off-Shell-Effekte sowie mit kürzlich von der ATLAS-Kollaboration erhaltenen experimentellen Ergebnissen. Vorhersagen für $pp \rightarrow t\bar{t}jj$ werden nur in der Schmalbreitenapproximation durchgeführt. Der Wirkungsquerschnitt wird wie folgt aufgeschlüsselt: Prod. umfasst alle Beiträge, bei denen die Aktivität der leichten Jets nur in der Produktionsphase des Top-Quark-Paars auftritt, Decay umfasst Beiträge, bei denen sie nur in den Zerfällen des Top-Quarks und des Antiquarks auftreten, Mix umfasst Beiträge, bei denen die leichten Jets sowohl in der Produktion als auch im Zerfall abgestrahlt werden. Wir untersuchen die Auswirkungen der verschiedenen Beiträge zum Full-Wirkungsquerschnitt sowohl auf integrierter als auch auf differentieller Ebene. Anschließend liefern wir Vorhersagen für die Verhältnisse des fiduziellen Wirkungsquerschnitts $\mathcal{R}n = \sigma{t\bar{t}+nj}/\sigma_{t\bar{t}+(n-1)j}$ mit $n=1,2$.

This thesis presents novel theoretical predictions for top-quark pair production in association with two $b$ jets $pp \rightarrow t\bar{t}b\bar{b}$ and with two light jets $pp \rightarrow t\bar{t}jj$ at the Large Hadron Collider with a center-of-mass energy of $\sqrt{s} = 13$ TeV. The results are provided in the dilepton decay channel of the top quark, corresponding to the fully decayed final states $pp \rightarrow e^+ \nu_e \mu^- \bar{\nu}_\mu b\bar{b} b \bar{b} + X$ and $pp \rightarrow \ell^+ \nu_{\ell} \ell^- \bar{\nu}_{\ell} b\bar{b} jj + X$, with $\ell^\pm = e^\pm, \mu^\pm$. The calculations are performed at next-to-leading order (NLO) accuracy in QCD both in the production and the decays of the top quark, using the Helac-Nlo Monte-Carlo program. We provide predictions for the integrated fiducial cross section and differential distributions, while exploring the size of NLO QCD corrections and theoretical uncertainties. Predictions for $pp \rightarrow t\bar{t}b\bar{b}$ are obtained considering full off-shell effects and in the narrow width approximation (NWA). Comparing the two calculations, we investigate the impact of the full off-shell effects, both at the integrated and differential level. We present also a detailed study on the bottom quark and $b$ jets involved in the process, studying the impact of the $b$-quark initiated subprocesses and providing a prescription to classify the final-state $b$ jets. Finally, we will compare our results to an independent full off-shell calculation and to experimental results recently obtained by the ATLAS collaboration. Predictions for $pp \rightarrow t\bar{t}jj$ are obtained in the NWA only. The cross section is decomposed as follows: Prod. includes all the contributions where the light-jet activity occurs only in the production stage of the top-quark pair, Decay those where it occurs only in the decays of the top quark and antiquark, Mix those where the light jets are emitted both in production and decay. We investigate the impact of the various contributions to the Full cross section, both at the integrated and differential level. Finally, we provide predictions for the fiducial cross section ratios $\mathcal{R}_n = \sigma_{t\bar{t}+nj}/\sigma_{t\bar{t}+(n-1)j}$, with $n=1,2$.

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