Measurements of the charge asymmetry in top quark pair production at the LHC with the ATLAS detector

Abstract

El quark top, descubierto en 1995 en los experimentos CDF y D0 en el colisionador protón-antiprotón Tevatron en Fermilab (Chicago, USA), es la partícula elemental más pesada conocida, con una masa comparable a la de un átomo de tungsteno. Esta propiedad, no explicada por el Modelo Estándar, confiere al quark top un papel especial en el contexto de modelos teóricos más allá del Modelo Estándar, muchos de los cuales predicen nuevas partículas que se acoplan preferentemente al quark top debido a su alta masa. Después de una década de estudios en el Tevatron (2001-2011), no se han descubierto indicios significativos de nueva física en las propiedades del quark top. La única excepción es la medida de la asimetría adelante-atrás en la producción de parejas top-antitop en colisiones protón-antiprotón en el Tevatron, donde se han encontrado un exceso de aproximadamente dos desviaciones estándar con respecto a la predicción del Modelo Estándar. Esta medida indica que en promedio los quarks top en sucesos top-antitop se producen en la dirección del haz de protones con mayor frecuencia que los quarks antitop. Aunque el Modelo Estándar predice una pequeña asimetría adelante-atrás debido a la interacción fuerte, la presencia de nuevas partículas pesadas contribuyendo a la producción de parejas top-antitop podría dar lugar a un exceso como el observado. Por desgracia, tras el cese de operaciones del Tevatron en Septiembre del 2011, el análisis de todos los datos de los experimentos CDF y D0 no han permitido alcanzar una conclusión definitiva con respecto a esta anomalía.

Esta tesis doctoral está centrada en la medida de precisión de la asimetría de carga en la producción de parejas top-antitop en colisiones protón-protón en el LHC usando las muestras completas de datos acumulados por el detector ATLAS a energías del centro de masas de 7 TeV y 8 TeV, correspondientes a luminosidades integradas de aproximadamente 5 fb-1 y 20 fb-1, respectivamente. La asimetría de carga AC en el LHC, relacionada con la asimetría adelante-atrás en el Tevatron, es sensible a los mismos efectos de nueva física que causarían una desviación en las medidas del Tevatron. En esta tesis doctoral se utiliza el canal semileptónico para hacer medidas inclusivas y diferenciales de la asimetría de carga en sucesos top-antitop. La cinemática de producción de la pareja top-antitop es reconstruida a partir del productos de la desintegración semileptónica y un metodo de unfolding bayesiano es utilizado para estimar AC al nivel partónico. Usando los datos a 7 TeV, se ha alcanzado una precisión 1% en la medida de la asimetría de carga a nivel inclusivo. También se han realizado medidas diferenciales en función de la masa invariante, ángulo de producción con respecto al eje del haz de protones y momento transverso de la pareja top-antitop. Usando los datos a 8 TeV, la precisión obtenida es de 0.5% en la medida de la asimetría de carga a nivel inclusivo, y también se ha realizado la medida diferencial en función de la masa invariante de la pareja top-antitop. La comparación de todas las medidas con las predicciones teóricas indican consistencia con el Modelo Estándar.

The top quark, discovered in 1995 at the CDF and D0 experiments at Fermilab’s Tevatron proton-antiproton collider, is the heaviest known elementary particle, with a mass comparable to the atomic mass of tungsten. This property, not explained by the Standard Model (SM), gives a special role to the top quark in the context of theoretical models beyond the Standard Model. Many of the models predict that new particles would preferably couple with the top quark, due to its high mass. After a decade of studies at the Tevatron (2001-2011), no signs of new physics have been discovered in the properties of the top quark, with the exception of the forward-backward asymmetry in top quark pair production, where an excess of about two standard deviations from the SM prediction has been found. This measurement shows that, in average, the top quark in top-antitop events is produced in the proton direction more often than the antitop quark. Even though the SM predicts a small forward-backward asymmetry due to the strong interaction, the presence of new heavy particles contributing to the top-antitop pair production could cause the observed excess. Unfortunately the Tevatron operation terminated on September 2012, and the analysis of the full datasets collected by the CDF and D0 experiments did not provide a final answer with respect to this anomaly.

This dissertation describes the precise measurement of the charge asymmetry AC in top-antitop pair production in proton-proton collisions at LHC, using the full dataset collected with the ATLAS detector at center-of-mass energies of 7 TeV and 8 TeV, corresponding to integrated luminosities of about 5 fb-1 and 20 fb-1, respectively. The LHC charge asymmetry, related to the Tevatron forward-backward asymmetry, is a complementary probe of the same new physics effects that could be responsible for the Tevatron excess. The lepton+jets channel is considered to perform inclusive and differential measurements of the charge asymmetry in top quark pair events. The kinematics of the top-antitop pair is reconstructed from the semileptonic decay products, and a Bayesian unfolding procedure is employed to estimate AC at the parton level. Using the dataset at 7 TeV, a 1% precision is achieved for the inclusive measurement. Differential AC measurements as a function of the invariant mass, the rapidity and the transverse momentum of the top-antitop pair are also presented. Using the dataset at 8 TeV, a 0.5% precision is achieved for the inclusive measurement, and the differential AC measurement as a function of the invariant mass of the top-antitop pair is performed as well. All measurements are found to be consistent with the SM predictions.