Measurement of top quark and w boson polarisation observables with t-channel single-top-quark events in the atlas experiment

Resumen

El trabajo de la tesis se enmarca dentro del programa de física de la Colaboración ATLAS para el análisis de los datos producidos por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) situado en el CERN. La primera parte del trabajo desarrollado se centra en los estudios realizados para mejorar los algoritmos y el procedimiento seguido para el alineamiento del detector de trazas de ATLAS. El conocimiento de la posición exacta que ocupan los elementos que componen el detector de trazas determina la resolución con la que la trayectoria de una partícula puede ser reconstruida. La posición de dichos elementos se ve afectada por cambios en las condiciones de trabajo, como el apagado y encendido del sistema de refrigeración o paradas técnicas del detector. La incertidumbre que estos cambios introducen en el conocimiento de la posición de los distintos elementos degradan la calidad de las trazas reconstruidas, afectando a los algoritmos de reconstrucción de vértices y de identificación de jets originados por un quark b entre otros. Debido a ello, el alineamiento del detector de trazas es una tarea crucial que debe realizarse con anterioridad al análisis de los datos registrados por ATLAS, ya que prácticamente la totalidad de los análisis dependen de la reconstrucción de partículas y algoritmos de identificación que requieren una reconstrucción de las trazas de gran calidad. En el trabajo realizado para esta tesis se presenta una nueva herramienta para la monitorización de las constantes de alineamiento que permite corregir la geometría del detector antes de que los datos registrados puedan ser analizados por los grupos de física de ATLAS. También se presenta un método para reducir los sesgos en el momento de las partículas usando eventos que contienen un bosón Z desintegrándose a una pareja de muones. Con estos eventos se construye un mapa bidimensional de los sesgos del detector. Esta información se introduce como una ligadura del sistema de ecuaciones que resuelven los algoritmos de alineamiento, produciendo así un nuevo conjunto de constantes de alineamiento libre de sesgos en el momento de las trazas. Siguiendo este mismo procedimiento, también se expone un método para corregir los sesgos observados en los parámetros de impacto longitudinal y transverso de las trazas. Cabe destacar que tanto la herramienta de monitorización como los métodos desarrollados en esta tesis para garantizar la calidad del alineamiento son utilizados en el procedimiento estándar utilizado en ATLAS para el alineamiento del detector de trazas. La segunda parte del trabajo desarrollado consiste en la medida de observables relacionados con la polarización del quark top y el bosón W usando eventos con quarks top producidos en solitario y en el canal t. Para ello se han utilizado las colisiones proton-proton producidas por el LHC a una energía de 8 TeV en el centro de masas y registradas por ATLAS durante el año 2012. El quark top se desintegra mediante la interacción débil a través del vértice Wtb produciendo un bosón W y un quark b con prácticamente un 100% de probabilidad. Esto contrasta con la producción del quark top, el cual puede ser producido en parejas top-antitop mediante interacción fuerte o en solitario mediante interacción débil. La ventaja de estudiar el quark top usando eventos con quarks top producidos en solitario con respecto a usar eventos con parejas top-antitop consiste en que el mismo proceso físico ocurre tanto en la producción como en la desintegración del quark top. Esto permite estudiar la interacción débil y en particular el vértice Wtb reduciendo la contaminación de procesos de QCD. El quark top se desintegra antes de hadronizar, por lo que toda la información sobre su estado de spin se transfiere a los productos de su desintegración. Esta información se diluye en los procesos que involucran parejas de quarks top-antitop debido a interacciones de QCD, pero esto no sucede cuando el quark top ha sido producido en solitario. Además, en el caso de producción en el canal t, el quark top está polarizado en la misma dirección y sentido que el quark ligero que interviene en el proceso de producción. Esta característica permite definir una dirección privilegiada en el espacio sobre la cual se definen varios sistemas de referencia en los que se pueden medir diferentes distribuciones angulares de los productos de desintegración del quark top. De estas distribuciones angulares se pueden medir diferentes asimetrías, las cuales a su vez son sensibles a los momentos anómalos del quark top. El análisis desarrollado en esta tesis realiza una selección de eventos con quarks top producidos en solitario y en el canal t mediante el uso de cortes en diferentes variables dinámicas del proceso. A continuación se definen diferentes regiones de control para estudiar los fondos que intervienen en el proceso para corregir la estimación de estos en la región de señal. Para poder realizar la medida de los distintos observables a nivel de partones, se utiliza un método de deconvolución de la señal llamado "Iterative Bayes", el cual ha sido estudiado en profundidad para determinar los parámetros óptimos utilizados en la deconvolución. Las incertidumbres en las medidas de los diferentes observables se han estimado mediante el uso de pseudoexperimentos y la compatibilidad de los resultados obtenidos con respecto a los valores esperados predichos por el Modelo Estándar se ha calculado mediante la técnica de boostrap, arrojando una compatibilidad de los resultados obtenidos con el Modelo Estándar del 0.91. Cabe destacar que en esta tesis se muestra la primera medida de las fracciones de helicidad del bosón W usando eventos con quarks top producidos en solitario realizada en ATLAS.