Studies of single top-quark production in association with a photon under updated reconstruction conditions at the ATLAS experiment

Abstract

This thesis presents studies of single top-quark production in association with a photon (tqy), using 140 fb^-1 of proton-proton collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV, recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider during Run 2. With a predicted cross-section of the order of one picobarn, this process is among the rarest top-quark processes in the Standard Model and provides a direct probe of the electroweak coupling between the top quark and the photon. The inclusive tqy cross-section has previously been measured by the ATLAS collaboration and was found to be larger than the theoretical prediction, motivating further investigation. Essential components of the previous ATLAS measurement are revisited under updated reconstruction and software conditions. A dedicated signal modeling method is employed, combining next-to-leading-order Monte Carlo samples to consistently describe photon radiation in both the production and decay of the top quark. Background contributions from processes with misidentified or non-prompt photons are estimated using data-driven techniques. A Neural Network is trained to select a high-purity signal-enriched sample, enabling the study of the kinematic properties of the process. The resulting distributions are found to be in good agreement with theoretical predictions within the statistical uncertainties. The work presented in this thesis provides the foundation for a future differential cross-section measurement of single top-quark production in association with a photon.Diese Arbeit präsentiert Studien zur Produktion einzelner Top-Quarks in Verbindung mit einem Photon (tqy), basierend auf 140 fb^-1 an Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV, aufgezeichnet mit dem ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider während Run 2. Mit einem Wirkungsquerschnitt der Größenordnung eines Pikobarn gehört dieser Prozess zu den seltensten Top-Quark-Prozessen im Standardmodell und erlaubt eine direkte Messung der elektroschwachen Kopplung zwischen Top-Quark und Photon. Der inklusive tqy-Wirkungsquerschnitt wurde bereits von der ATLAS-Kollaboration gemessen und lag über der theoretischen Vorhersage, was weitere Untersuchungen motiviert. Wesentliche Bestandteile der vorherigen ATLAS-Messung werden unter aktualisierten Rekonstruktions- und Softwarebedingungen überarbeitet. Für das Signal-Sample wird eine spezielle Methode angewendet, bei der next-to-leading-order Monte-Carlo-Samples kombiniert werden, um die Abstrahlung von Photonen sowohl während der Produktion als auch während des Zerfalls des Top-Quarks konsistent zu beschreiben. Hintergrundbeiträge aus Prozessen mit falsch identifizierten oder nicht-prompten Photonen werden mittels datenbasierter Methoden abgeschätzt. Ein Neuronales Netz wird trainiert, um eine signalangereicherte Stichprobe zu selektieren, wodurch die Untersuchung der kinematischen Eigenschaften des Prozesses ermöglicht wird. Die resultierenden Verteilungen stimmen innerhalb der statistischen Unsicherheiten mit den theoretischen Vorhersagen überein. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse bilden die Grundlage für eine zukünftige differentielle Wirkungsquerschnittsmessung der Produktion einzelner Top-Quarks in Verbindung mit einem Photon.