Measurement of differential cross-sections of the tt̄γ process with the ATLAS detector

Abstract

This thesis presents a measurement of the differential cross-sections of the associated production of a top quark pair and a photon (tt̄γ) in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The data were collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider during Run 2 operation, corresponding to an integrated luminosity of 140.1 fb^{-1}. The analysis is performed in the single-lepton and dilepton top quark pair decay channels, focusing on events where the photon is radiated from the initial-state parton or one of the top quarks. Additionally, cross-sections are measured for the inclusive tt̄γ process, including events where the photon is radiated from the decay products of the top quarks. The measurement is performed at particle level within a fiducial phase space volume designed to closely mimic the detector acceptance. Detector effects are corrected using a profile likelihood unfolding method. The absolute and normalized differential cross-sections are measured as functions of various observables characterizing the photon, lepton, and jet kinematics as well as variables related to the angular separation between these objects. The results are compared to state-of-the-art Monte Carlo simulations, finding good overall agreement.

Diese Dissertation präsentiert eine Messung der differentiellen Wirkungsquerschnitte der assoziierten Produktion eines Top-Quark-Paares und eines Photons (tt̄γ) in Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV. Die Daten wurden mit dem ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider während des Run-2 aufgezeichnet und entsprechen einer integrierten Luminosität von 140.1 fb^{-1}. Die Analyse wird in den Zerfallskanälen des Top-Quark-Paares mit einem Lepton und mit zwei Leptonen durchgeführt, wobei der Fokus auf Ereignissen liegt, bei denen das Photon von einem Parton des Anfangszustands oder von einem der Top-Quarks abgestrahlt wird. Zusätzlich werden Wirkungsquerschnitte für den inklusiven tt̄γ-Prozess gemessen, einschließlich Ereignissen, bei denen das Photon von den Zerfallsprodukten der Top-Quarks abgestrahlt wird. Die Messung wird auf Teilchenebene innerhalb eines eingeschränkten Phasenraums durchgeführt, der so konzipiert ist, dass er die Detektorakzeptanz genau widerspiegelt. Detektoreffekte werden mithilfe einer Profile-Likelihood-Entfaltungsmethode korrigiert. Die Messung der absoluten und der normierten differentiellen Wirkungsquerschnitte erfolgt in Abhängigkeit verschiedener Observablen, welche die Kinematik der Photonen, Leptonen und Jets sowie deren Winkelabstände zueinander beschreiben. Die Ergebnisse werden mit aktuellen Monte-Carlo-Simulationen verglichen, wobei insgesamt eine gute Übereinstimmung festgestellt wird.