Mesure de la section efficace de production électrofaible de quark top en voie S, dans l'expérience ATLAS

par Caterina Monini

Thèse de doctorat en Physique subatomique et astroparticules

Sous la direction de Arnaud Lucotte et de Annick Lleres.

Soutenue le 12-09-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Christophe Furget.

Le jury était composé de Laurent Vacavant.

Les rapporteurs étaient Denis Gelé, Roberto Chierici.


  • Résumé

    Le travail présenté dans cette thèse a pour sujet la mesure du seul mécanisme de production électrofaible de quark top qui n'ait pas encore été observé au collisionneur hadronique du CERN (LHC): la voie-s. L'intérêt réside dans la confirmation des prédictions du Modèle Standard, mais le but est aussi de contraindre plusieurs scénarios de nouvelle physique à partir de la combinaison de la section efficace voie-s avec celle des autres canaux de production single top, la voie-t et Wt. Après une introduction générale sur la physique du quark top et les dispositifs expérimentaux visant à la détection et la reconstruction des objets physiques, on présente deux analyses réalisées des données de collisions proton-proton enregistrées par le détecteur ATLAS `a une énergie dans le centre de masse de 7 et 8 TeV. Etant donné que la production de quark top en voie-s est caractérisée par une tr`es faible pureté et que, en même temps, elle est défavorisée au LHC puisque elle a lieu par annihilation quark-antiquark, une technique multi variée a été appliquée dans les deux cas afin de discriminer le signal. Pour l' étude à 7 TeV, relatif à une luminosité intégrée de 4.7 $fb^{-1}$, deux classificateurs basés sur des arbres de décision boostés sont entrainés contre les événements de bruits de fond principaux; une coupure appliquée sur un des discriminateurs met en oeuvre une sélection des événements, la distribution issue de l'autre discriminateur est ensuite employée dans un fit de maximum de vraisemblance. Cela permet de d'eriver une limite supérieure sur la section efficace voie-s de 21.5 pb (14.3 pb attendu), correspondant à une portée de 0.6 déviations standard (0.8 attendu). L'analyse à 8 TeV, qui est basée sur une luminosité intégrée de 20.3 $fb^{-1}$, repose sur une strat'egie plus simple: seulement un classificateur BDT est optimisé pour isoler le signal, après une préalable sélection des événements grâce `a de simples coupures. Sa distribution discriminante est ensuite ajustée aux données selon la même approche qu' `a 7 TeV, en considérant les incertitudes systématiques et statistiques pendant la génération de pseudo expériences. La portée de la mesure étant encore inférieure à trois déviations standard (1.5 $sigma$ observé et 1.4 attendu), seule une limite `a 95% C.L. peut être établie sur la section efficace; le résultat correspond `a 15.7 pb (7.9 pb attendu).

  • Titre traduit

    Single-top s channel cross-section measurement with the ALTAS detector


  • Résumé

    The work reported in this thesis is aimed at measuring with the ATLAS detector theonly mechanism of top quark electroweak production which has not yet been observedat the Large Hadron Collider: the s-channel. Its interest relies in the confirmationof the Standard Model predictions but, as well, in the possibility of constraining severalnew physics scenarios when comparing the s-channel cross section with the oneof the other single top production modes (the Wt and t-channel). After a generalintroduction upon top physics and the experimental setup employed for the detectionand the reconstruction of the physics objects, we present two analyses realizedwith proton-proton collisions collected by the ATLAS detector at a center of massenergy of 7 and 8 TeV. Since the s-channel production is characterized by a verylow purity and, at the same time, is not favoured at the LHC because it proceedsvia quark-antiquark annihilation, a multivariate approach is applied in both cases todiscriminate the signal. For the 7 TeV study, based on an integrated luminosity of4.7 fb−1, two boosted decision trees classifiers are optimized against the main sourcesof background; a cut realized on one of such discriminants implements a tight eventselection, after which the second output distribution is used for a maximum likelihoodfit to the data. This allows to set an upper limit on the s-channel cross section of21.5 pb (14.3 pb expected), corresponding to a significance of 0.6 standard deviations(0.8 expected). The 8 TeV analysis, based on an integrated luminosity of 20.3 fb−1,has a simpler strategy: only one boosted decision trees classifier is trained to isolatesignal after a preliminary cut-based selection; its output distribution is then fitted tothe data with the same approach than at 7 TeV, taking into account the systematicand statistical uncertainty via the generation of pseudoexperiments. The significanceof the s-channel measurement being lower than 3 σ (1.3 standard deviation observed,1.4 expected), only a 95% C.L. limit can be set on the cross section; the result ishowever improved and corresponds to 14.6 pb (7.9 pb expected).3


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