Measurement of the electroweak top quark production cross section and the CKM matrix element V_1tnt_1tnb with the DØ experiment [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Matthias Kirsch

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• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 24
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Extrait

Measurement of the
Electroweak Top Quark Production Cross Section
and the CKM Matrix ElementVtb
with the DØ Experiment
Von der Fakulta¨t fu¨r
Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der
RWTH Aachen University
zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors
der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Physiker
Matthias Kirsch
aus Lo¨rrach
¨Berichter: Universitatsprofessor Dr. M. Erdmann
Universita¨tsprofessor Dr. T. Hebbeker
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 29.06.2009
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online
verfu¨gbar.Zusammenfassung
−1In der vorliegenden Analyse wird in einem etwa 1fb an integrierter Luminosita¨t um-
fassenden Datensatz des DØ-Experiments nach der Produktion einzelner Top-Quarks mittels
elektroschwacher Wechselwirkung gesucht. Die Ereignisse wurden am Tevatron-Beschleuniger
des Fermi National Accelerator Laboratory, angesiedelt in Batavia, IL, USA, in Proton-√
Antiproton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von s=1.96TeV aufgezeichnet. Die
Analyse konzentriert sich dabei auf die Messung des kombinierten Wirkunsquerschnitts des
s- (tb) und des t-Kanal- (tqb) Produktionsmechanismus:
pp¯→tb+X,tqb+X.
Betrachtet werden hierbei Endzusta¨nde in denen das W Boson, welches beim Zerfall des
Top-Quarks entsteht, im Weiteren in ein Elektron oder ein Myon sowie ein entsprechendes
Neutrino zerfa¨llt. Dieser Wirkungsquerschnitt ist direkt proportional zum Quadrat des CKM-
Matrixelements|V | und erlaubt somit dessen Messung ohne zusa¨tzliche Annahmen u¨ber dietb
Unitarita¨t der CKM-Matrix oder die Anzahl der Fermion-Generationen im Standardmodell
der Elementarteilchenphysik. Eine Messung des Produktionswirkungsquerschnittes einzelner
Top-Quarks ermo¨glicht somit einen direkten Test der V-A-Struktur der elektroschwachen
Wechselwirkung.
Die Ereignisse werden zuna¨chst in einer sogenannten Multi-Process Factory auf unter-
schiedliche Signal- und Untergrundhypothesen hin u¨berpru¨ft. Dabei werden durch Permutation
der rekonstruierten Objekte alle auf Grund von Vieldeutigkeiten mo¨glichen Zerfallsba¨ume er-
stellt und auf ihre Signalartigkeit hin u¨berpru¨ft. Vom wahrscheinlichsten Zerfallsbaum jeder
Signal- bzw. Untergrundhypothese werden daraufhin Observablen gewonnen, die im Weit-
eren in einer multivariaten Analysemethode, sogenannten Boosted Decision Trees, zur Sep-
aration der erwarteten Signaleignisse von den Untergrundereignissen herangezogen werden.
Anhand eines Bayes’schen Verfahrens wird schließlich in einer gleichzeitigen Parameteranpas-
sung der 12 beteiligten Analysekana¨le aufgrund der aus den Boosted Decision Trees erhaltenen
Diskriminanten-Verteilungen der Wirkungsquerschnitt abgeleitet. Ausgehend von einer Masse
des Top-Quarks von 175 GeV liefert die Messung einen Wirkungsquerschnitt von
+1,62
σ(pp¯→tb+X,tqb+X)=5,51 pb.−1,31
Die Signifikanz der Wirkungsquerschnittsmessung betra¨gt 4,2 Standardabweichungen.
Die Sta¨rke der V-A-Kopplung am Wtb-Vertex kann daraus zu
L +0,21|V ×f |=1,42tb 1 −0,20
bestimmt werden. Sowohl die Messung des Wirkungsquerschnittes als auch die der Kop-
plungssta¨rke liegen etwa zwei Standardabweichungen u¨ber der Erwartung des Standardmodells.
iSie sind jedoch innerhalb der Fehlergrenzen mit anderen Messungen der DØ-Kollaboration auf
Ldemselben Datensatz vertra¨glich. Unter der Einschra¨nkung, dass die Kopplung f dem Stan-1
dardmodellwert 1 genu¨gt, wurde zusa¨tzlich eine Messung von|V | sowie eine untere Grenzetb
auf|V | bei einem 95% Vertrauensniveau abgeleitet:tb
+0,00|V |=1,00 sowie |V | >0,79@95%C.L.tb tb−0,08Contents
1 Introduction 1
2 Top Quarks within the Standard Model 5
2.1 The Standard Model of Elementary Particle Physics . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Top Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Production of Top Quarks via Strong Interaction . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 Production of Top Quarks via Electroweak Interaction . . . . . . . . . 13
2.2.3 The CKM Matrix Element|V | . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19tb
2.2.4 Single Top Quark Production as a Window to New Physics . . . . . . . 21
3 The Tevatron Collider and the DØ Detector 23
3.1 Fermilab Accelerator Facilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.1 Proton-Antiproton Collisions and Luminosity . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 The DØ Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.1 The Tracking Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.2 The Calorimeter Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.3 The Muon System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.4 The Trigger Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.5 The Luminosity Monitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4 Reconstruction of Physics Objects 51
4.1 Tracks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2 Primary Vertices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3 Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4 Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.5 Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5.1 Calorimeter Preprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5.2 Jet Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.6 Identification of Jets Originating from b-Hadrons . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.7 Missing Transverse Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5 Event Selection 75
5.1 Data Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.1.1 Muon Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.1.2 Electron Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2 Signal and Background Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2.1 Generated Signal Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2.2 Generated Background Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
iiiContents
5.2.3 Event Generation and Detector Simulation . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.2.4 Correction Factors on Monte Carlo Events . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2.5 Background Normalization and Multijet Background . . . . . . . . . . 89
5.3 Selection of Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6 Analysis Strategy and Software Algorithms 107
6.1 General Analysis Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.2 A Multi-Process Factory Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.2.1 Application and Optimization of a Multi-Process Factory . . . . . . . . 109
6.2.2 The PAX Toolkit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.3 Boosted Decision Trees as a Multivariate Classifier . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.3.1 The Concept of Decision Trees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.3.2 Boosting, Pruning and Evalution of Decision Trees . . . . . . . . . . . 126
6.3.3 The TMVA Toolkit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7 Application of a Multi-Process Factory 129
7.1 Processes for Events with Two Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.1.1 s-Channel Production of Top Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.1.2 t-Channel Production of Top Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.1.3 Decay of Top Quark Pairs in Dilepton Events . . . . . . . . . . . . . . 158
7.1.4 Global Event Observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7.1.5 Summary of Observables for Events with Two Jets . . . . . . . . . . . 206
7.2 Processes for Events with Three Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
7.2.1 s-Channel Production of Top Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
7.2.2 t-Channel Production of Top Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
7.2.3 Decay of Top Quark Pairs in Semileptonic Events . . . . . . . . . . . . 248
7.2.4 Decay of Top Quark Pairs in Dilepton Events . . . . . . . . . . . . . . 265
7.2.5 Global Event Observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
7.2.6 Summary of Observables for Events with Three Jets . . . . . . . . . . 317
7.3 Processes for Events with Four Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
7.3.1 s-Channel Production of Top Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
7.3.2 t-Channel Production of Top Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
7.3.3 Decay of Top Quark Pairs in Semileptonic Events . . . . . . . . . . . . 346
7.3.4 Global Event Observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
7.3.5 Summary of Observables for Events with Four Jets . . . . . . . . . . . 386
8 Multivariate Analysis and Expected Sensitivity 395
8.1 Optimization of Boosted Decision Trees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
8.2 Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .