Search for flavour-changing neutral currents in processes with a single top quark in association with a photon using a deep neural network at the ATLAS experiment at √s = 13TeV
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Date
2019
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Abstract
In this thesis, a search for flavour-changing neutral currents in processes involving a singly produced top quark and a photon is presented. In this search, proton-proton collision data are used which were collected by the ATLAS experiment at the LHC and correspond to an integrated luminosity of 81 fb⁻¹. The top quark is assumed to decay into a b quark and a W boson, which is supposed to decay leptonically. Events are selected whose final state contains exactly one photon, one charged lepton, one b-tagged jet and a certain magnitude of missing transverse momentum. The background contributions, that arise from events with either an electron or a jet misidentified as photon, are estimated using data-driven techniques. The signal is modelled in an effective field theory. The signal coupling is assumed to be either left- or right-handed and to involve either an up quark or a charm quark. Assuming only one of these signal couplings being present at a time, a discriminant is constructed using a deep neural network which classifies events into signal and background candidates. A profile likelihood fit is performed to improve the background prediction and to estimate the signal strength. Since no signal contribution is observed in data and the data are found to be consistent with the background expectation, upper exclusion limits are set on the branching ratios B(t→uγ) and B(t→cγ). The observed limits at a confidence level of 95 % on the branching ratio are B(t→uγ, left-handed) < 2.8 · 10⁻⁵, B(t→uγ, right-handed) < 6.1 · 10⁻⁵, B(t→cγ, left-handed) < 22 · 10⁻⁵ and B(t→cγ, right-handed) < 18 · 10⁻⁵. These limits are interpreted as limits on the cross section for the production of a top quark and a photon via a flavour-changing neutral current, and as limits on the absolute value of the sum of the Wilson coefficients CuBij* and CuWij* for the left-handed and CuBij and CuWij for the right-handed couplings.
In dieser Disseration wird die Suche nach quarkflavourverändernden neutralen Strömen vorgestellt, die in Prozessen mit einem einzeln produzierten Top-Quark und einem Photon auftreten. Die untersuchten Daten wurden am ATLAS-Detektor am LHC in Proton-Proton Kollisionen aufgezeichnet und entsprechen einer integrierten Luminosität von 81 fb⁻¹. Es wird angenommen, dass das Top-Quark in ein b-Quark und ein W-Boson zerfällt, das wiederum leptonisch zerfällt. Es werden Ereignisse selektiert, deren Endzustand aus genau einem Photon, einem geladenen Lepton, einem b-tagged Jet und einem Mindestbetrag an fehlendem transversalen Impuls besteht. Die Untergrundbeiträge von Ereignissen, in deren Endzustand entweder ein Elektron oder ein Jet fälschlicherweise als Photon identifiziert wurde, werden mit Daten-basierten Techniken abgeschätzt. Das Signal wird im Kontext einer effektiven Feldtheorie modelliert. Die angenommene Signalkopplung ist entweder links- oder rechtshändig und involviert entweder ein Up-Quark oder ein Charm-Quark. Unter der Annahme, dass nur eine dieser Signalkopplungen zeitgleich präsent ist, wird jeweils ein tiefes neuronales Netz trainiert, um Ereignisse als Signal- oder Untergrundkandidaten zu klassifizieren. In einem Profile-Likelihood-Fit wird die Untergrundvorhersage verbessert und die Signalstärke abgeschätzt. Weil kein Signalbeitrag in Daten gefunden wurde und die Untergrundvorhersage mit den Daten übereinstimmen, werden obere Ausschlussgrenzen auf die Verzweigungsverhältnisse B(t→uγ) und B(t→cγ) gesetzt. Die beobachteten Ausschlussgrenzen auf das Verzweigungsverhältnis mit einem Konfidenzniveau von 95 % sind B(t→uγ, linkskhändig) < 2,8 · 10⁻⁵, B(t→uγ, rechtshändig) < 6,1 · 10⁻⁵, B(t→cγ, linkshändig) < 22 · 10⁻⁵ und B(t→cγ, rechtshändig) < 18 · 10⁻⁵. Diese Ausschlussgrenzen werden als Ausschlussgrenzen auf den Produktionswirkungsquerschnitt eines Top-Quarks und eines Photons durch einen quarkflavourverändernden neutralen Strom und als Ausschlussgrenzen auf den Absolutwert der Summe der Wilson-Koeffizienten CuBij* und CuWij* für die linkskhändigen und CuBij und CuWij für die rechtshändigen Kopplungen interpretiert.
In dieser Disseration wird die Suche nach quarkflavourverändernden neutralen Strömen vorgestellt, die in Prozessen mit einem einzeln produzierten Top-Quark und einem Photon auftreten. Die untersuchten Daten wurden am ATLAS-Detektor am LHC in Proton-Proton Kollisionen aufgezeichnet und entsprechen einer integrierten Luminosität von 81 fb⁻¹. Es wird angenommen, dass das Top-Quark in ein b-Quark und ein W-Boson zerfällt, das wiederum leptonisch zerfällt. Es werden Ereignisse selektiert, deren Endzustand aus genau einem Photon, einem geladenen Lepton, einem b-tagged Jet und einem Mindestbetrag an fehlendem transversalen Impuls besteht. Die Untergrundbeiträge von Ereignissen, in deren Endzustand entweder ein Elektron oder ein Jet fälschlicherweise als Photon identifiziert wurde, werden mit Daten-basierten Techniken abgeschätzt. Das Signal wird im Kontext einer effektiven Feldtheorie modelliert. Die angenommene Signalkopplung ist entweder links- oder rechtshändig und involviert entweder ein Up-Quark oder ein Charm-Quark. Unter der Annahme, dass nur eine dieser Signalkopplungen zeitgleich präsent ist, wird jeweils ein tiefes neuronales Netz trainiert, um Ereignisse als Signal- oder Untergrundkandidaten zu klassifizieren. In einem Profile-Likelihood-Fit wird die Untergrundvorhersage verbessert und die Signalstärke abgeschätzt. Weil kein Signalbeitrag in Daten gefunden wurde und die Untergrundvorhersage mit den Daten übereinstimmen, werden obere Ausschlussgrenzen auf die Verzweigungsverhältnisse B(t→uγ) und B(t→cγ) gesetzt. Die beobachteten Ausschlussgrenzen auf das Verzweigungsverhältnis mit einem Konfidenzniveau von 95 % sind B(t→uγ, linkskhändig) < 2,8 · 10⁻⁵, B(t→uγ, rechtshändig) < 6,1 · 10⁻⁵, B(t→cγ, linkshändig) < 22 · 10⁻⁵ und B(t→cγ, rechtshändig) < 18 · 10⁻⁵. Diese Ausschlussgrenzen werden als Ausschlussgrenzen auf den Produktionswirkungsquerschnitt eines Top-Quarks und eines Photons durch einen quarkflavourverändernden neutralen Strom und als Ausschlussgrenzen auf den Absolutwert der Summe der Wilson-Koeffizienten CuBij* und CuWij* für die linkskhändigen und CuBij und CuWij für die rechtshändigen Kopplungen interpretiert.
Description
Table of contents
Keywords
Teilchenphysik, LHC, ATLAS-Experiment, Top-Quark, Photon, FCNC, Particle physics, ATLAS experiment, Top quark