Measurement of the t-channel single top quark production cross section and the CKM matrix element V tb with the CMS experiment

Klingebiel, Dennis; Erdmann, Martin

doi:999910363962

Measurement of the t-channel single top quark production cross section and the CKM matrix element V tb with the CMS experiment = Messung des Wirkungsquerschnitts der Produktion einzelner Top-Quarks im t-Kanal und des CKM-Matrix-Elements Vtb mit dem CMS-Experiment

Klingebiel, Dennis (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dennis Klingebiel

ImpressumAachen 2014

UmfangV, 255 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Erdmann, Martin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-07-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-51468
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/444972/files/5146.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
t-Quark (Genormte SW) ; Elementarteilchenphysik (Genormte SW) ; Streuquerschnitt (Genormte SW) ; Elektroschwache Wechselwirkung, LHC, CMS-Detektor, CKM-Matrix (Genormte SW) ; Multivariate Analyse (Genormte SW) ; Entscheidungsbaum (Genormte SW) ; Klassifikations- und Regressionsbaum (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Top-Quark (frei) ; elektroschwache Top-Quark-Produktion (frei) ; particle physics (frei) ; single top quark production (frei) ; electroweak top quark production (frei) ; multivariate analysis (frei) ; boosted decision tree (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 13.85.Qk * 12.15.Hh * 14.65.Ha * 12.15.Ji

Kurzfassung
Die Messung der elektroschwachen Produktion einzelner Top-Quarks ermöglicht einen einzigartigen Zugang zum Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) Matrix Element Vtb, welches ein fundamentaler Parameter des Standardmodells der Elementarteilchenphysik (SM) ist. In dieser Arbeit werden der inklusive Wirkungsquerschnitt der Wechselwirkung im t-Kanal, das CKM-Matrix Element Vtb, und das relative Verhältnis der Produktion von Top-Quarks und Top-Antiquarks gemessen. Hierzu werden Proton-Proton Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV analysiert. Die Protonen wurden mit dem Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) beschleunigt, welcher von der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) bei Genf in der Schweiz betrieben wird. Die Kollisionen wurden mit dem Compact Muon Solenoid (CMS) Experiment aufgezeichnet. Insgesamt werden Daten entsprechend einer integrierten Luminosität von 1.6/fb analysiert. Für die Analyse werden Ereignisse mit mindestens zwei Teilchenjets und entweder einem Elektron oder Myon im Endzustand selektiert. Jedes selektierte Ereignis wird anhand des Flavors und der Ladung des geladenen Leptons, der Anzahl an Jets und der Anzahl von Bottom-Quark Jets klassifiziert. Mit Hilfe einer multivariaten Analysemethode, den sog. Boosted Decision Trees (BDTs), werden die aufgezeichneten Ereignisse verschiedenen Wechselwirkungsprozessen zugeordnet. Der Wirkungsquerschnitt der Signalprozesse wird mit Bayesscher Statistik gleichzeitig in zwölf orthogonalen Ereigniskategorien gemessen. Ein besonderer Akzent dieser Arbeit liegt auf der Modellierung von systematischen Messfehlern sowie der Quantifizierung der daraus resultierenden Messabweichungen. Die systematischen Messfehler werden als zusätzliche Störparameter der Likelihood-Funktion behandelt. Die Likelihood-Funktion wird dann über alle Störparameter integriert. Die Messung des inklusiven Wirkungsquerschnitts einzelner Top-Quarks und Top-Antiquarks im t-Kanal ergibt (66.6 +6.7 -6.2) pb. Der gemessene Wert ist in Übereinstimmung mit der SM Erwartung. Mit einem relativen Messfehler von -9.3% +10.1% ist diese Messung wesentlich präziser als vorherige Messungen in Proton-Proton und Proton-Antiproton Kollisionen. Der absolute Wert des CKM-Matrix Elements Vtb wird zu 1.016 +- 0.051 für SM-artige elektroschwache Wechselwirkungen gemessen. Mit einem relativen Messfehler von 5.0% ist dies die präziseste einzelne direkte Messung von Vtb. Insbesondere impliziert diese Messung weder Unitarität der CKM Matrix noch eine bestimmte Anzahl an Quark-Generationen. Der Messwert ist kompatibel mit der SM Erwartung, die indirekt unter Annahme der Unitarität der CKM Matrix mit drei Quark-Generationen abgeleitet wird. Die Messung des Verhältnisses der Wirkungsquerschnitte von Top-Quark Produktion und Top-Antiquark Produktion im t-Kanal ergibt 1.70 +0.34 -0.21. Das Messergebnis ist kompatibel mit SM Berechnungen für aktuelle Partonverteilungsfunktionen (PDF), welche Werte zwischen 1.84 und 2.11 ergeben. Dies ist die erste Messung des Verhältnisses von Top-Quark und Top-Antiquark Produktion im t-Kanal mit Daten des CMS Experiments bei einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV.

The electroweak production of single top quarks offers a unique access to the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) matrix element Vtb, which is a fundamental parameter of the Standard Model of particle physics (SM). In this thesis, measurements of the inclusive t-channel single-top-quark-production cross section, the CKM-matrix element Vtb, and the ratio of t-channel top-quark-production and top-antiquark-production cross sections are presented. Proton-proton collisions with a center-of-mass energy of 7 TeV are analyzed. These collisions were recorded with the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment at the particle-accelerator complex Large Hadron Collider (LHC), which is operated by the European Organization for Nuclear Research (CERN) near Geneva, Switzerland. The analyzed data correspond to an integrated luminosity of 1.6/fb. This analysis uses events with at least two jets and either an electron or muon. Each event is classified according to the flavor and charge of the electron or muon, the number of jets, and the number of b-tagged jets. Signal and background processes are discriminated using Boosted Decision Trees (BDTs). The signal cross section is simultaneously measured in twelve orthogonal categories. A Bayesian approach is used to infer the signal cross section from data. Particular emphasis is placed on the modeling of systematic uncertainties and the evaluation of their impact on the measurement. Systematic uncertainties are incorporated as additional nuisance parameters into the likelihood function. Marginalization is used to eliminate the nuisance parameters. The single-top-quark t-channel production cross section is measured to be (66.6 +6.7 -6.2) pb. The measured value is in agreement with the next-to-next-to-leading order SM prediction. With a relative uncertainty of -9.3% +10.1%, this measurement is significantly more precise than previous measurements in proton-proton und proton-antiproton collisions. The absolute value of the CKM-matrix element Vtb is determined to be 1.016 +- 0.051 in terms of SM electroweak couplings. With a relative uncertainty of 5.0%, this is the most precise single direct measurement of Vtb to date. In particular, no assumptions are made on the unitarity of the CKM matrix or the number of quark generations. The measured value is in agreement with the SM prediction, which was indirectly inferred using unitarity of the CKM matrix with three quark generations. The ratio of t-channel top-quark-production and top-antiquark-production cross sections is measured to be 1.70 +0.34 -0.21. The measurement is in agreement with SM predictions, which are within the interval [1.84, 2.11] for next-to-leading-order calculations with recent parton-distribution functions (PDFs). This is the first measurement of the ratio of top-quark production and top-antiquark production in the t-channel in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 7 TeV that is performed by the CMS experiment.

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