First evidence of standard model pp → tttt production and performance studies of the ATLAS tile calorimeter for HL-LHC
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Date
2020
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Abstract
In diesem Dokument werden zwei Analysen auf dem Gebiet der Teilchenphysik vorgestellt. Erstens, Studien über die Performanz der Rekonstruktion von Myonen unter Verwendung von Kalorimeterinformationen während der HL-LHC Phase des ATLAS Detektors. Zweitens, die Suche nach der simultanen Produktion von vier Top-Quarks, wie vom Standard Modell (SM) prognostiziert, unter Verwendung des vollständigen Run-II-Datensatzes, der von ATLAS aufgenommen wurde. Dieser Datensatz entspricht einer integrierten Luminosität von L = 139 fb-1 von Proton–Proton Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von √s = 13 TeV.
Für diese Arbeit wird die Performanz der Rekonstruktion von Myonen für verschiedene pile-up Szenarien untersucht, wie sie für die HL-LHC-Phase erwartet werden, und im Hinblick auf verschiedene Rauschszenarien, die den Verlust der Energieauflösung und die Verschlechterung der Detektorakzeptanz aufgrund von Alterung und Bestrahlung der Detektorkomponenten nachbilden. Diese Studie wird durchgeführt, um vorgeschlagene Szenarien für die Aufrüstung des Detektors vor ihrer Implementierung zu testen. Die Suche nach der vom SM prognostizierten Produktion von vier Top-Quarks, konzentriert sich auf die Zerfallsmoden mit zwei Leptonen gleicher Ladung oder mehr Leptonen im Endzustand. Die Suche nach diesem Prozess ist unter anderem durch die sehr hohen involvierten Energien motiviert und durch die Tatsache, dass derzeit verfügbare Datensätze möglicherweise für eine Entdeckung ausreichen. Die finalen Messergebnisse werden mit einem Profile-Likelihood-Fit erzielt, der das Ergebnis eines Boosted-Decision-Trees beinhaltet, welcher darauf trainiert ist zwischen Signal und Untergrund zu unterscheiden. Der Fit führt zu einem Wirkungsquerschnitt von σ(p→tt ¯tt ¯ )=24(+7-6)fb, was einer beobachteten (erwarteten) Signifikanz von Z = 4,3 (Z = 2,4) entspricht. Dies repräsentiert den ersten Nachweis (Evidence) für diesen Prozess. Das erhaltene Ergebnis ist mit der SM Vorhersage innerhalb von 1,7 Standardabweichungen kompatibel.
Auf diesen ersten Nachweis aufbauend, wird die Möglichkeit der Rekonstruktion des vier Top-Quark Systems unter Verwendung eines kinematischen Likelihood Fits entwickelt und getestet. Die Entwicklungen und Tests werden mit dem KLFitter Software Paket durchgeführt und erzielen eine Effizienz der korrekten Zuordnung aller vier Top-Quarks von ε = 33 ± 4 % unter optimalen Bedingungen für den Endzustand mit einem Lepton.
Two analyses in the field of particle physics are presented in this document. First,studies on the performance of the reconstruction of muons using calorimeter inform-ation under the conditions of the High-Luminosity Large-Hadron-Collider (HL-LHC)phase of theATLASdetector. Second, the search for the Standard Model (SM) sim-ultaneous production of four top quarks using the full Run-II data set recorded byATLAS. This data set corresponds to an integrated luminosity ofL= 139 fb−1ofproton–proton collisions at a centre of mass energy of√s= 13 TeV.Here, the performance of the reconstruction of muons is probed for different pile-upscenarios, as those expected for the HL-LHC phase, and in light of different noise scen-arios that emulate the loss of energy resolution and deterioration of detector acceptancedue to ageing and irradiation of detector components. This study is conducted to testproposed detector upgrade scenarios before their implementation.The search for SM like four top quark production presented here, focuses on the de-cay modes with two same sign or more leptons in the final state. The search for thisprocess is, among other factors, motivated by the very large energies involved and bythe fact that it is likely on the verge of being discovered with currently available datasets. The final results are obtained in a profile likelihood fit involving the outcome of aboosted decision tree trained to discriminate between signal and background. The fitresults in a production cross section ofσ(pp→tt tt) = 24+7−6fb, which correspondsto an observed (expected) significance ofZ= 4.3(Z= 2.4). This represents the firstevidence for this process. The obtained result is compatible with the SM prediction within 1.7 standard deviations.Following first evidence, the possibility of reconstructing the four top quark systemusing a kinematic likelihood approach is developed and tested. These developmentsare performed with theKLFitter tool set and yield an efficiency of correctlymatching all four top quarks of ε = 33±4 %under optimal conditions in the singlelepton final state.
Two analyses in the field of particle physics are presented in this document. First,studies on the performance of the reconstruction of muons using calorimeter inform-ation under the conditions of the High-Luminosity Large-Hadron-Collider (HL-LHC)phase of theATLASdetector. Second, the search for the Standard Model (SM) sim-ultaneous production of four top quarks using the full Run-II data set recorded byATLAS. This data set corresponds to an integrated luminosity ofL= 139 fb−1ofproton–proton collisions at a centre of mass energy of√s= 13 TeV.Here, the performance of the reconstruction of muons is probed for different pile-upscenarios, as those expected for the HL-LHC phase, and in light of different noise scen-arios that emulate the loss of energy resolution and deterioration of detector acceptancedue to ageing and irradiation of detector components. This study is conducted to testproposed detector upgrade scenarios before their implementation.The search for SM like four top quark production presented here, focuses on the de-cay modes with two same sign or more leptons in the final state. The search for thisprocess is, among other factors, motivated by the very large energies involved and bythe fact that it is likely on the verge of being discovered with currently available datasets. The final results are obtained in a profile likelihood fit involving the outcome of aboosted decision tree trained to discriminate between signal and background. The fitresults in a production cross section ofσ(pp→tt tt) = 24+7−6fb, which correspondsto an observed (expected) significance ofZ= 4.3(Z= 2.4). This represents the firstevidence for this process. The obtained result is compatible with the SM prediction within 1.7 standard deviations.Following first evidence, the possibility of reconstructing the four top quark systemusing a kinematic likelihood approach is developed and tested. These developmentsare performed with theKLFitter tool set and yield an efficiency of correctlymatching all four top quarks of ε = 33±4 %under optimal conditions in the singlelepton final state.
Description
Table of contents
Keywords
Top quark, Boosted-decision-tree, ATLAS, LHC, Standard model