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Determination of the top-quark pole mass using tt+1-jet events with the ATLAS detector at the LHC

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22 - Física
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Determination of the top-quark pole mass using tt+1-jet events with the ATLAS detector at the LHC

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dc.contributor.advisor	Fuster Verdú, Juan A.
dc.contributor.advisor	Uwer, Peter
dc.contributor.author	Irles Quiles, Adrián
dc.contributor.other	Departament de Física Atòmica, Molecular i Nuclear	es_ES
dc.date.accessioned	2014-12-05T09:02:02Z
dc.date.available	2014-12-06T07:10:03Z
dc.date.issued	2014
dc.date.submitted	09-12-2014	es_ES
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/10550/40578
dc.description.abstract	Esta tesis está basada en el estudio del quark top y, especificamente, de su masa. ¿Por qué el quark top? ¿Por qué su masa? El quark top es la partícula más pesada del ME: su masa es alrededor de 35 veces la masa del segundo quark más pesado (el quark bottom). Ese valor tan grande de la masa, además, le confiere una característica que lo diferencia de los otros quarks: se desintegra antes de que el proceso de hadronización pueda tener lugar. Además, el quark top posee el mayor acoplamiento con el bosón de Higgs. Por esto mismo el quark top juega un papel especial en la teoría de las interacciones electrodébiles: debido al gran valor de su masa, el quark top introduce enromes correcciones en los cálculos teóricos. Es por eso que la medida de las propiedades del quark top y en concreto de su masa es fundamental. Actualmente, las mejores medidas de la masa del quark top alcanzan precisiones de $\sim 0.5 \simeq 0.8~\GeV$ o incluso menores al combinar varias. Los métodos con menor incertidumbre experimental se basan en la medida de la masa del quark top a través de las propiedades cinemáticas de sus productos de desintegración (las llamadas medidas directas de la masa del quark top o medidas de la masa cinemática del quark top). El problema de este método es que tiene una incertidumbre aun desconocida (y que se ha estimado que podría ser del orden de $1~\GeV$~\cite{Hoang:2008xm,Moch:2014tta}) cuando se interpreta esta masa como la masa polo del quark top (la masa equivalente a la masa definida por el cuadrimomento de una partícula libre). Es, por lo tanto, crucial buscar nuevos y alternativos métodos para medir la masa. Las caracterísiticas deseadas de cualquier metodo para medir la masa de un quark pueden ser resumidas en los siguientes puntos: \begin{enumerate} \item el método debe ser sensible a la masa; \item el cálculo del observable utilizado en el método debe estar bien definido (correcciones a ordenes mayores que el primero dónde se defina sin ambigüedades la masa que se vaya a medir); \item las correcciones de ordenes mayores en el cálculo deben ser pequeñas; \item el observable ha de ser fácilmente medible. \end{enumerate} Un ejemplo de método que cumple casi todas estas caracterísiticas es el de la extracción de la masa del quark top a traves de su dependencia en la sección eficaz. Midiendo la sección eficaz se satisfacen todos los puntos de la lista anterior pero con el inconveniente de que la sensibilidad con la masa (el primer punto) es limitada. El primer resultado presentado en esta tesis consiste en la definición y desarrollo de un nuevo método para medir la masa del quark top. Este método está inspirado por métodos similiares utilizados en el colisionador leptónico LEP para medir la masa del quark {\it bottom}. Específicamente, lo que se hacía era inferir la masa del quark a través de la medida de producción de eventos de tres {\it jets}: $e^{+}e^{-}\rightarrow Z\rightarrow b\bar{b}g$. En esta medida se aprovechaba la dependencia en la masa del quark que radia gluones ya que la emisión de gluones está suprimida para quarks más pesados. Los primeros intentos para definir observables similares pero adaptados a las condiciones del LHC y a la medida del quark top se llevaron a cabo con métodos Monte Carlo que utilizan cálculos a primer orden (i.e. \pythia). Con estas herramientas se comprobó el primer punto de la lista para observables basados en la producción de jets asociados a un par de quark y antiquark top. A partir de estos prometedores estudios, se comenzó una estrecha colaboración con físicos teóricos expertos en el campo: los doctores Peter Uwer, Sven-Olaf- Moch y Simone Alioli. Gracias a la estrecha colaboración entre físicos experimentales y teóricos se pudieron comprobar los restantes puntos de la lista y se definió el observable a utilizar: la distribución \n3. Los resultados se publicaron en \Ref{Alioli:2013mxa}. El método consiste en la medida de la distribución \n3 definida como la sección eficaz diferencial y normalizada de producción de eventos \ttbaronejet en función de la inversa de la masa invariante del sistema \ttbaronejet: \begin{equation} \label{eq:n3Definition_concl} \n3(\mtPole,\rhos)= \frac{1}{\sigmattj} \frac{d\sigmattj}{d\rhos}(\mtPole,\rhos), \end{equation} donde $\rhos$ es definida como \begin{equation} \rhos=\frac{2 m_0} {\sqrt{\sttj}}. \end{equation} % \noindent siendo $m_0$ un valor constant, $m_0 =$ 170~\gev{}, para hacer adimensional la variable \rhos. Un \pt mayor de $50~\GeV$ se requiere para definir el jet extra (reconstruido utilizando el algoritmo anti-\kt con $R=0.4$). La distribucion \n3 calculada usando cálculos \ttbaronejet@NLO con diferentes masas se muestra en la Figura~\ref{fig:n3MassDependence} (que aparece en el Capítulo~\ref{chap:chap2}). Para un valor \mtPole=170~\GeV{} de la masa, las variaciones de escala también se muestran así como la predicción con dos PDFs diferentes. La dependencia con la masa del quark top se ve pronunciada en el intervalo de mayores \rhos donde se observa que la emision de jets por parte de quarks más pesados está suprimida con respecto a la de los quarks mas ligeros. Este método satisface los requerimientos listados más arriba, en concreto, con este método la masa está bien definida a través de un cálculo a NLO. Además, este método muestra mayor sensibilidad a la masa del quark top que, por ejemplo, la extracción de la misma de la medida experimental de la sección eficaz inclusiva de eventos \ttbar. En la Figura~\ref{fig:n3MassDependence_concl2}, se muestra además que los errores asociados a la escala y a la elección de PDF son pequeños. En este estudio, además, se compararon diferentes predicciones para el cálculo de \n3: \ttbaronejet LO, NLO y NLO+PS, \ttbar NLO+PS, dónde NLO+PS se refiere a cálcculos NLO implementados con \powheg{} y combinados con un algoritmo de {\it parton shower} i.e. \pythia. Comparando estas predicciones se demostró que el observable es muy robusto, incluso comparando cálculos de diferentes órdenes (LO vs NLO). En concreto, comparando cálculos \ttbaronejet @NLO con @NLO+PS se observan solo pequeñas diferencias, bien contenidas por las incertidumbres estimadas mediante las variaciones de escala. Utilizando los cálculos implementados en \powheg{}, la viabilidad experimental del método se estudió. Para ello, se estimó el efecto de los errores sistemáticos que se esperaban fueran dominantes (los asociados a la medida y calibración de la energía de los jets). Estos estudios se hicieron con herramientas públicas y no relacionadas con ningún detector en particular. Los estudios implementados en esta dirección resultaron en estimaciones muy cercanas a los valores finalmente medidos en la medida experimental final. Con todos estos estudios se probaron los 5 puntos de la lista de requerimientos. El resultado principal presentado en esta tesis consiste en la determinación experimental de la masa polo del quark top a través de la medida de la distribución \n3. Para ello se utilizaron los datos recogidos por ATLAS durante 2011 en colisiones $pp$ producidas en el LHC a $7~\TeV$. La reconstrucción de los eventos \ttbaronejet se llevó a cabo seleccionando eventos en el canal semileptónico del sistema \ttbar: que uno de los bosones $W$ producido en la desintegración del top, se desintegre a su vez en un leptón (solo consideramos los casos en los que el leptón es un muón o un electrón) y un neutrino y el otro bosón $W$ en dos quarks. Por lo tanto, los eventos \ttbaronejet, se seleccionan requiriendo: al menos 5 jets de los cuáles 2 jets de los jets son identificados como producidos por $b-$quarks, un leptón de alto \pt y una gran cantidad de energía transversa no detectada asociada a la presencia de un neutrino. La detección e identificación de estos objetos involucra todas las capacidades y subdetectores del experimento ATLAS. A partir de estos objetos reconstruidos, el sistema \ttbaronejet y la variable \rhos se reconstruyen utilizando un algoritmo optimizado estudiando la cinemática de los eventos con datos simulados con Monte Carlo. La determinación de la masa del quark top utilizando la distribución \n3 se ha publicado en \Ref{ATLAS-CONF-2014-053}. La distribución al nivel partónico (dónde se compara con las predicciones teóricas) se obtiene tras, primero, substraer el background a la distribución reconstruida y, segundo, corregir esa distribución utilizando una matriz de respuesta que explica los cambios en \rhos entre un evento a nivel partónico y el mismo a nivel reconstruido. El método de correción elegido se basa en la inversión y regularización de la matriz de respuesta. Uno de los resultados más importantes de esta medida es la comprobación de que el método de corrección no depende de la masa utilizada en las muestras Monte Carlo. Una vez reconstruida la distribución y corregida a nivel partónica, un estudio completo de las incertidumbres sistemáticas se ha llevado a cabo. Las incertidumbres sistemáticas estudiadas se dividen en dos grupos: las experimentales y las teóricas. Las teóricas son las asociadas a los ordenes no incluidos en la expansión perturbativa utilizada en el cálculo teórico y la asociada a la elección de la PDF del protón. Las incertidumbres sistemáticas experimentales se dividen, a su vez, en tres grupos: modelado de la senñal, del detector y de la señal de fondo. Las dominantes son las inceridumbres del modelado de la radiación inicial y final y las incertidumbres debidas a la calibración de la energía de los {\it jets}. El valor obtenido para la masa polo del quark top y sus incertidumbres son: \begin{flalign} \mtPole&=173.71 \pm 1.50 ~({\rm stat.}) \pm 1.43 ~({\rm syst.}) ^{+ 0.95}_{-0.49} ~({\rm theo.})~\GeV \end{flalign} Con una incertidumbre total de $\sigma(\mtPole)=^{+2.3}_{-2.1}$, este resultado representa la mejor medida de la masa del quark top hasta el momento. Además, el valor medido está en buen acuerdo con los anteriormente obtenidos utilizando la sección eficaz \ttbar~\cite{Aad:2014kva} y con los valores de la masa cienemática~\cite{ATLAS-CONF-2014-008} considerando las incertidumbres estimadas. La Figura~\ref{topquarkpolemass2} muestra una comparativa de medidas hechas hasta el momento de la masa polo del quark top. La banda gris se corresponde con la combinación de las medidas de la masa cinemática del quark top. \begin{figure}[h] \begin{center} \includegraphics[width=\columnwidth]{mtop_pole.eps} \caption{Comparativa de diferentes determinaciones de la masa polo del quark top y de la combinación de valores de las medidas de la masa cinemática. \label{topquarkpolemass2}} \end{center} \end{figure} La medida está dominada por la incertidumbre estadística $\sigma( \mtPole) ({\rm stat.}) =1.5\gev$. Esta incertidumbre será reducida en gran medida cuándo los datos recogidos por ATLAS en 2012 se estudien (20~\ifb de colisiones $pp$ a 8~\tev). Además, se ha mostrad en esta tesis que con mayor estadística, se puede reducir la sensibilidad con la masa del quark top al reducir el tamaño de los bines de la distribución \rhos. Por supuesto esto requiere estudios detallados y concisos de la resolución en \rhos, pero los estudios preliminares realizados hasta el momento, muestran que una reducción $\sim 40\%$ en las incertidumbres sistemáticas puede ser alcanzable.	es_ES
dc.format.extent	159 p.	es_ES
dc.language.iso	en	es_ES
dc.subject	quark	es_ES
dc.subject	nlo	es_ES
dc.subject	lhc	es_ES
dc.subject	qcd	es_ES
dc.subject	atlas	es_ES
dc.subject	mass	es_ES
dc.subject	top quark	es_ES
dc.subject	pole	es_ES
dc.title	Determination of the top-quark pole mass using tt+1-jet events with the ATLAS detector at the LHC	es_ES
dc.type	doctoral thesis	es_ES
dc.subject.unesco	UNESCO::FÍSICA::Física de altas energías	es_ES
dc.subject.unesco	UNESCO::FÍSICA::Física de altas energías	es_ES
dc.embargo.terms	0 days	es_ES