Signal and background modeling in BSM studies in the top-quark sector at the LHC

Hermann, Jonathan; Worek, Malgorzata; Krämer, Michael

doi:42952

Signal and background modeling in BSM studies in the top-quark sector at the LHC

Hermann, Jonathan^RWTH*

2023 & 2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jonathan Hermann, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Worek, Malgorzata (Thesis advisor)^RWTH* ; Krämer, Michael (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-09-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-11870
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/975160/files/975160.pdf

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Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
BSM (frei) ; LHC (frei) ; SMEFT (frei) ; dark matter (frei) ; particle physics (frei) ; phenomenology (frei) ; top quark (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Diese Arbeit widmet sich der Analyse von Modellierungseffekten in assoziierten Top-Quark-Paarproduktionsprozessen am LHC im Kontext der Physik jenseits des Standardmodells (BSM). Wir liefern und diskutieren modernste Vorhersagen für mehrere BSM-Signal- und Standardmodell (SM)-Hintergrundprozesse und untersuchen, wie diese durch vollständige Off-Shell-Effekte und Korrekturen höherer Ordnung beeinflusst werden. Um diese Untersuchungen zu ermöglichen, stellen wir zwei Erweiterungen des Helac-NLO-Programs vor, die die Einbeziehung einer $\mathcal{CP}$-gemischten Top-Higgs-Yukawa-Wechselwirkung und Beiträge von Standard Model Effective Field Theory (SMEFT)-Operatoren der Dimension sechs erlauben. Die phänomenologische Studie ist in drei Teile gegliedert, die jeweils einen anderen Aspekt von BSM-Analysen beleuchten. Zunächst untersuchen wir die Bedeutung einer präzisen und genauen Modellierung des SM-Hintergrundes bei der Suche nach der Produktion Dunkler Materie (DM) in Verbindung mit einem Top-Quark-Paar am LHC. Wir vergleichen Vorhersagen für die beiden dominanten SM-Hintergrundprozesse $t\bar{t}$ und $t\bar{t}Z$ im dileptonischen Zerfallskanal des Top-Quark-Paares in führender (LO) und nächsthöherer Ordnung (NLO) in der QCD, einschließlich voller Off-Shell-Effekte und in der Narrow-Width Approximation (NWA). Durch die Berechnung von Signalstärkegrenzen für den $t\bar{t}+\text{DM}$-Prozess für verschiedene Arten der Modellierung des SM-Hintergrunds demonstrieren wir die Bedeutung von Korrekturen höherer Ordnung und vollständiger Off-Shell-Effekte bei BSM-Suchen in exklusiven Phasenraumregionen. Darüber hinaus untersuchen wir, wie diese Ausschlussgrenzen durch Änderungen der integrierten Luminosität oder der Renormierungs- und Faktorisierungsskala beeinflusst werden, und machen Vorschläge, welche Observablen verwendet werden sollten, um möglichst strenge Ausschlussgrenzen zu erhalten. In der zweiten Analyse konzentrieren wir uns stattdessen auf die Modellierung eines Signalprozesses, nämlich der $p p \to b \bar{b} e^+ \nu_e \mu^- \bar{\nu}_\mu \, H$ Produktion mit einer $\mathcal{CP}$-gemischten Top-Higgs-Yukawa-Wechselwirkung. Wir untersuchen die Abhängigkeit des integrierten Wirkungsquerschnitts vom Mischungswinkel zwischen den $\mathcal{CP}$-geraden und $\mathcal{CP}$-ungeraden Beiträgen. Außerdem vergleichen wir unterschiedliche Verteilungen für die Produktion eines $\mathcal{CP}$-geraden,-gemischten und -ungeraden Higgs-Bosons. Wir zeigen, dass diese Verteilungen sowie die integrierten Wirkungsquerschnitte erheblich von Korrekturen höherer Ordnung und Off-Shell-Effekten beeinflusst werden und, dass diese Effekte einen beträchtlichen Einfluss auf die Empfindlichkeit einer Observablen für den $\mathcal{CP}$-Zustand des Higgs-Bosons haben können. In der abschließende phänomenologische Analyse verzichten wir ganz auf die Verwendung eines expliziten Modells der neuen Physik und untersuchen stattdessen Modellierungseffekte in SMEFT. Wir präsentieren Ergebnisse in der NWA und der vollständigen Off-Shell-Behandlung für die $p p \to b \bar{b} e^+ \nu_e \mu^- \bar{\nu}_\mu \, H$ Produktion in LO, einschließlich der Beiträge der Wilson-Operatoren $\mathcal{O}_{t \phi}$, $\mathcal{O}_{\phi G}$, $\mathcal{O}_{t G}$, und $\mathcal{O}_{t W}$. Wir bewerten das Ausmaß von Off-Shell-Effekten in den verschiedenen linearen, quadrierten und Interferenz-Beiträgen, die diese Operatoren auf der Ebene der integrierten Wirkungsquerschnitte und Differentialverteilungen hervorrufen. Schließlich untersuchen wir die Auswirkungen der Einbeziehung von $\mathcal{O}\left( C_{tW} / \Lambda^2 \right)$-Beiträgen zur Top-Quark-Zerfallsbreite und betonen die Wichtigkeit einer konsistenten Expansion in den Wilson-Koeffizienten.

This thesis is dedicated to the analysis of modeling effects in associated top-quark pair production processes at the LHC in the context of Beyond the Standard Model (BSM) physics. We provide and discuss state-of-the-art predictions for several BSM signal and Standard Model (SM) background processes and investigate how these are affected by full off-shell effects and higher-order corrections. To facilitate these studies, we present two extensions of the Helac-NLO framework which allow for the inclusion of a $\mathcal{CP}$-mixed top-Higgs Yukawa interaction and contributions from Standard Model Effective Field Theory (SMEFT) operators of dimension six. The phenomenological study is split into three parts, each highlighting a different aspect of BSM analyses. First, we investigate the importance of precisely and accurately modeling the SM background in a search for Dark Matter (DM) production in association with a top-quark pair at the LHC. We compare predictions for the two dominant SM background processes $t\bar{t}$ and $t\bar{t}Z$ in the dileptonic decay channel of the top-quark pair at leading- (LO) and next-to-leading order (NLO) in QCD, including full off-shell effects and in the narrow-width approximation (NWA). By calculating signal-strength exclusion limits for the $t\bar{t}+\text{DM}$ process for different ways of modeling the SM background, we demonstrate the importance of higher-order corrections and full off-shell effects in BSM searches in exclusive phase-space regions. In addition, we study how these exclusion limits are affected by changes in the integrated luminosity or the renormalization and factorization scale and make suggestions as to which observables should be used to obtain the most stringent possible exclusion limits. In the second analysis, we instead focus on the modeling of a signal process, specifically $p p \to b \bar{b} e^+ \nu_e \mu^- \bar{\nu}_\mu \, H$ production with a $\mathcal{CP}$-mixed top-Higgs Yukawa interaction. We investigate the dependence of the integrated fiducial cross section on the mixing angle between the $\mathcal{CP}$-even and $\mathcal{CP}$-odd contributions. Additionally, we compare differential distributions for the production of a $\mathcal{CP}$-even, -mixed, and -odd Higgs boson. We demonstrate that these distributions, as well as the integrated cross sections, are significantly affected by higher-order corrections and off-shell effects and that these effects can have a sizable impact on an observable's sensitivity to the Higgs boson's $\mathcal{CP}$ state. In the final phenomenological analysis, we forego the usage of an explicit new physics model altogether and instead study modeling effects in SMEFT. We present results in the NWA and the full off-shell treatment for $p p \to b \bar{b} e^+ \nu_e \mu^- \bar{\nu}_\mu \, H$ production at LO, including contributions from the Wilson operators $\mathcal{O}_{t \phi}$, $\mathcal{O}_{\phi G}$, $\mathcal{O}_{t G}$, and $\mathcal{O}_{t W}$. We assess the size of off-shell effects in the various linear, squared, and interference contributions that these operators induce at the level of integrated fiducial cross sections and differential distributions. Finally, we investigate the effects of including $\mathcal{O}\left( C_{tW} / \Lambda^2 \right)$ contributions to the top-quark decay width and highlight the importance of a consistent expansion in the Wilson coefficients.

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