Evidence and cross section measurement of the process pp->ttbar+photon at a center-of-mass energy of 7 TeV with the ATLAS experiment

Abstract

Die Wirkungsquerschnittsmessung der Top-Quark-Paar-Produktion mit einem zusätzlichen Photon im Endzustand (ttbar+photon) wird in dieser Arbeit präsentiert. Der gesamte Datensatz des Jahres 2011 mit einer integrierten Luminosität von 4.7 fb -1 wurde analysiert, der vom ATLAS-Detektor in Proton-Proton-Kollisionen am LHC mit einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV aufgezeichnet werden konnte. Eine Ereignisselektion wurde in den semileptonischen Kanälen mit einem Elektron oder Muon im Endzustand entwickelt, die sich an der Selektion der ttbar-Wirkungsquerschnittsmessungen der ATLAS-Kollaboration orientiert, zu denen Schnitte zur Photonselektion hizugefügt wurden. Insgesamt wurden 414 ttbar+photon-Ereigniskandidaten in dem Datensatz identifiziert. Verschiedene Untergrundbeiträge wurden bestimmt, die in drei Klassen bzgl. der echten Teilchenart des selektierten Photons unterteilt werden können. Neben echten prompten Photonen können Elektronen oder Hadronen falsch als ein Photon identifiziert werden. Einen signifikanten Unterschied zwischen prompten Photonen und falsch identifizierten Hadronen wurde in der Form der Photon-Verteilung der Spurisolation gefunden. Dies wurde verwendet, um diese Photonarten anhand eines Templatefits an die Datenverteilung zu unterscheiden und damit den finalen ttbar+photon -Wirkungsquerschnitt zu messen. Untergrundprozesse, die ein promptes Photon oder falsch identifiziertes Elektron im Endzustand besitzen, mussten separat bestimmt werden, entweder durch daten-getriebene Methoden für Beiträge der W -Boson-Produktion mit zusätzlichen Jets und Mulijet-Ereignissen. Die restlichen Untergrundbeiträge aus der Z -Boson-Produktion mit zusätzlichen Jets sowie Single-Top-, Diboson- und Top-Quark-Paar-Produktion wurden aus Monte-Carlo-Simulation bestimmt. Diese separaten Abschätzungen wurden dann im Templatefit einbezogen. Das Ergebnis des ttbar+photon-Wirkungsquerschnittes in den nicht-vollhadronischen Zerfallskanälen mit einem Transversalimpuls des prompten Photons über 20 GeV und einer absoluten Pseudorapidität kleiner 2.37, sowie den kinematischen Schnitten in der Signal-Generation, ist 1.11±0.15(stat.)+0.25-0.21(syst.)±0.02(lumi.) pb. Daraus folgt eine Evidenz des ttbar+photon-Prozesses mit einer Signifikanz von 4.96 Sigma bzgl. der nur-Untergrund-Hypothese. Zudem stimmt die Messung sehr gut mit der Standardmodell-Erwarung von [1.0 ± 0.2] pb überein.

The cross section measurement of top quark pair production with an additional prompt photon in the final state (ttbar+photon) is presented. The total 2011 dataset of 4.7 fb -1 has been analyzed in this thesis, recorded by the ATLAS detector in proton-proton collisions at the LHC with a center-of-mass energy of 7 TeV. A event selection has been developed for the single electron and single muon channels, following closely the selection used in tt cross section measurements published by the ATLAS collaboration, with the addition of photon selection cuts, identifying a total of 414 ttbar+photon event candidates in the dataset. Various background contributions have been estimated, which can be categorized in three classes according to the true type of the selected photon. Besides true prompt photons, electrons and hadrons from jet fragmentation can be misidentified as a photon. A signifcant difference has been found in the photon distribution shape of the track isolation between misidentified hadrons and prompt photons. This has been exploited to distinguish these types of photons using a template fit to the data distribution and consequently extract the final ttbar+photon cross section. Background processes including a prompt photon or misidentified electron have been estimated separately, which include data-driven methods for contributions from W boson production with additional jets and QCD multijet events. The remaining background yields from Z boson production with additional jets as well as single top, diboson and top quark pair production have been determined from Monte Carlo simulation. These separate estimations have been then included in the template fit. The final result of the ttbar+photon cross section in the non-full-hadronic decay channels with a transverse mometum of the prompt photon above 20 GeV and an absolute pseudorapidity below 2.37 as well as the cuts used in the signal generation reads 1.11 ± 0.15(stat.)+0.25-0.21(syst.) ± 0.02(lumi.) pb. This results in an evidence of the ttbar+photon process with a significance of 4.96 sigma with respect to the background only hypothesis. Further, this measurement is in very good agreement with the Standard Model expectation of [1.0 ± 0.2(syst.)] pb.