Measurements of top-quark pair differential cross-sections in the lepton+jets channel in pp collisions at ps = 8 TeV using the ATLAS detector

Abstract

I risultati presentati in questa tesi sono frutto del lavoro svolto in collaborazione con il Top working group di ATLAS [1], i quali sono stati descritti in un articolo pubblico di ATLAS [2], e sottomesso alla rivista internazionale di Fisica European Physics Journal volume C. Mi sono occupato della misura, con il rivelatore ATLAS, delle sezioni d’urto differenziali assolute e normalizzate, per la produzione di coppie top-antitop, nel canale semi-leptonico, in interazioni protone-protone all’energia del centro di massa di 8TeV al Large Hadron Collider (LHC) di Ginevra. La misura di queste sezioni d’urto differenziali `e di particolare importanza nell’ambito del programma di Fisica dell’esperimento ATLAS, sia da un punto di vista teorico poich`e consente di eseguire dei test particolarmente stringenti delle predizioni della QCD perturbativa, fino all’ordine ’next-to-nextto- leading’ (NNLO), sia da quello sperimentale poich`e consente di migliorare la determinazione della densit`a gluonica del protone. L’alta massa del quark top suggerisce delle possibili connessioni con il meccanismo di rottura della simmetria elettrodebole, inoltre il quark top decade prima di adronizzare fornendo un’opportunit`a unica di studiare le propriet`a di un quark “bare”, come ad esempio gli effetti di spin attraverso le correlazioni angolari dei suoi prodotti di decadimento. Nel contesto del Modello Standard il quark top decade quasi esclusivamente in un b−quark ed un bosone W. Dunque la segnatura sperimentale dello stato finale dipende dai modi di decadimento dei due bosoni W, in cui ciascuno, mediamente decade due volte su tre nel canale adronico ed una volta su tre leptonicamente. I possibili stati finali sono dunque tre: il canale dileptonico, caratterizzato da una bassa probabilit`a e da una segnatura sperimentale pulita, il canale semileptonico che risulta essere un buon compromesso tra una discreta probabilit`a ed un contributo di fondo non dominante rispetto al segnale, ed infine il canale completamente adronico che ha un’alta probabilit` a ma soffre di eventi multi-getti di QCD che rendono la sua segnatura sperimentale molto complessa. Le misure di sezioni d’urto differenziali associate alla produzione di coppie di quark topantitop vengono presentate come funzioni di osservabili cinematiche di singoli quark top e delle coppie top-antitop, scelte in modo tale da enfatizzare il processo di produzione delle coppie t¯t, sensibili agli effetti di emissione di radiazione di QCD associati agli stati iniziali e finali del processo studiato, sensibili a processi non-risonanti e a termini correttivi a pi`u alto ordine dello sviluppo perturbativo. I dati analizzati sono relativi all’intero campione di dati collezionato nel 2012 con il rivelatore ATLAS presso i laboratori CERN di Ginevra, corrispondenti ad una luminosit`a integrata di 20.3 fb−1. Gli eventi sono selezionati nel canale semileptonico, richiedendo nello stato finale la presenza di un leptone carico con alto impulso trasverso, un neutrino ed almeno quattro getti adronici di cui due di tipo b. Gli effetti distorsivi che il rivelatore induce sulla misura, causati dalla limitata risoluzione ed accettanza di ATLAS, sono stati corretti, usando la procedura di unfolding con approccio iterativo bayesiano, al fine di confrontare le misure con diverse simulazioni MonteCarlo. Le sezioni d’urto differenziali sono state misurate sia al livello di particelle stabili (cosidetto particle level ) relativamente ad una regione fiduciale dello spazio delle fasi, che risulta pi`u limitato rispetto al totale spazio delle fasi accessibile al rivelatore caratterizzato da contributi contenuti all’incertezza sistematica, sia al livello partonico (cosiddetto parton level ) estrapolato all’intero spazio delle fasi, che risulta pi`u ampio ed `e esteso anche a regioni non accessibili al rivelatore caratterizzato da contributi di incertezza sistematica pi`u significativi. In generale i risultati sono in ragionevole accordo con le predizioni su un’ampia regione cinematica, tuttavia la maggior parte dei generatori MonteCarlo predicono i quark top pi`u duri (ovvero con pi`u alti valori in impulso trasverso) rispetto a quanto effettivamente si evince dalle misure. La regione centrale del rivelatore (cio`e per bassi valori della variabile rapidit`a) viene descritta abbastanza bene dalle predizioni, invece relativamente alle regioni in avanti e all’indietro la descrizione non `e ottimale. Questa difficolt`a `e stata investigata attraverso la dipendenza delle predizioni dai pi`u recenti set di funzioni di distrubuzione partonica nel protone (PDFs), evidenziando un notevole miglioramento nella descrizione dei dati rispetto invece a set di PDFs pi`u datati. A livello partonico i risultati sono stati confrontati con le pi`u recenti predizioni differenziali della QCD perturbativa, sino all’ordine next-to-next-to-leading, risolvendo il disaccordo osservato invece con le predizioni al NLO, sopratutto nelle code delle distribuzioni, dando indicazione del fatto che il disaccordo fosse dovuto alla mancanza di termini correttivi a pi`u alto ordine dello sviluppo perturbativo nelle predizioni usate. Si evidenzia in particolare come quest’analisi sia la prima a mostrare un confronto tra le sezioni d’urto differenziali misurate per la produzione di quark top-antitop con le recentissime predizioni differenziali teoriche al NNLO.