Medida de la masa del quark top en eventos de tipologia tt+1jet en el experimento atlas de lhc

Resumen

El Modelo Estándar (``Standard Model'', SM, en ingl\'es) es el modelo teórico que a día de hoy mejor describe el universo en el que vivimos: una teoría cuántica de campos relativista que es capaz de reproducir la mayoría de las medidas llevadas a cabo por distintos experimentos en física de partículas. El SM se desarrolló a partir de la primera mitad del 1900 para describir unas cuantas evidencias de física experimental. Sus predicciones se comprobaron en posteriores experimentos de colisionadores de partículas, con un éxito sin precedentes, como se introduce en el Cap\'itulo 1 de esta tesis. En física de partículas, los experimentos suelen medir secciones eficaces y probabilidades de decaimientos de partículas inestables. Dichos observables pueden ser calculados por el SM, con herramientas cada vez m\'as sofisticadas y para condiciones tan complicadas técnicamente como las del Gran Colisionador de Hadrones ( ``Large Hadron Collider'', LHC, en ingl\'es). Una introducción sobre estos temas se expone en el Cap\'itulo 2. El SM establece la existencia de diecisiete partículas elementales: doce fermiones (seis leptones y seis quarks) que forman la materia, cuatro bosones que median las interacciones entre ellas, y el bosón de Higgs que confiere masa a las partículas pesadas. Todas estas partículas se han medido en varios experimentos, siendo la \'ultima, el bosón de Higgs, descubierta en 2012. El quark top se descubrió en 1995 y el Cap\'itulo 3 está totalmente dedicado a describir las propiedades y la fenomenología de esta partícula en el LHC. Con una masa alrededor de 170 GeV, el quark top es la partícula más pesada del SM, la que le confiere la característica única de desintegrarse antes de que el proceso de hadronización tenga lugar. Esto hace que el quark top sea el único quark que se pueda estudiar en condiciones de partícula casi libre. Además, el quark top juega un papel especial en la teoría de las interacciones electrodébiles: el quark top introduce enormes correcciones en los cálculos teóricos, siendo su gran masa debida a un acoplamiento muy fuerte con el bosón de Higgs. Suponiendo la validez del SM hasta escalas de energía muy altas, la estabilidad del vacío electrodébil y del universo en el que vivimos también depende fuertemente del valor de la masa del quark top. Por estas razones la medida precisa de las propiedades del quark top, y en concreto de su masa, es fundamental. Las medidas de la masa del quark top que tienen menor incertidumbre experimental, realizadas por los experimentos del LHC, alcanzan precisiones experimentales menores de 1 GeV. Estos métodos, llamados medidas directas o de masa cinemática, miden la masa del quark top a través de las propiedades de sus productos de desintegración. Las \'ultimas combinaciones de estas medidas tienen un error experimental total de 0.5 GeV. Con medidas tan precisas, hay aspectos teóricos que empiezan a ser relevantes. En el caso de la masa cinemática, no existe una relación conocida entre las masas medidas en los experimentos y la masa definida en la teoría. Se ha estimado que la incertidumbre debida a la interpretación de las masas medidas puede ser del orden de varias centenas de MeV. El error total de las medidas directas, entonces, tendría que incluir dicha incertidumbre del mismo orden de magnitud de los errores evaluados en los experimentos. Otra posibilidad para medir la masa del quark top es a través de su dependencia en secciones eficaces. En el caso las secciones eficaces sean calculadas a órdenes mayores que el primero, es necesario definir un esquema de renormalización, que relaciona parámetros extraídos desde la sección eficaz medida a aquellos usados en el SM. Comparando datos con cálculos puramente perturbativos es posible medir una masa del quark top bien definida teóricamente, incluyendo una estimación completa de sus incertidumbres teóricas. Sin embrago, las secciones eficaces inclusivas son poco sensibles la masa del quark top, motivo por el cual este tipo de medidas suelen tener errores mayores que los métodos directos. En los últimos años, se han desarrollado cálculos de secciones eficaces diferenciales y nuevos métodos que permiten estudiar regiones del espacio fásico que tienen una fuerte dependencia con la masa. En esta tesis se ha medido la masa del quark top a partir de la sección eficaz de eventos tt+1 jet , diferencial respecto a la masa invariante del sistema tt+1jet, usando datos producidos en el LHC. El observable elegido, llamado R en la tesis, varias propriedades que permiten una medida de la masa de alta precisión. Primero, tiene una alta dependencia con el valor de la masa del quark top, en la región de baja masa invariante del sistema tt+1jet. Segundo, se puede medir con alta precisión en los experimentos, siendo la topología de eventos considerada un buen subconjunto de todos los quarks top producidos por el LHC. Estos hechos permiten tener una buena resolución experimental. Adem\'as, el observable se ha calculado con cálculos perturbativos a \'ordenes mayores que el primero (``Next-to-Leading-Order'', NLO, en ingl\'es), que permiten extraer una masa bien definida. Las correcciones perturbativas son pequeñas y controladas, y permiten que errores debidos a la no inclusión de todos los términos del c\'alculo perturbativo sean pequeños . Esta tesis usa datos provenientes de colisiones de los protones de 8 TeV y recogidos por el experimento ATLAS. ATLAS es unos de los experimentos m\'as importantes en física de partículas y está compuesto por muchos detectores que trabajan de forma coordinada para medir las partículas producidas por el LHC, como se describe en detalle en el Cap\'itulo 4. Para seleccionar eventos de topología tt+1jet, se estudió el canal semilept\'onico del sistema top-antitop, donde se producen un lepton (electrón o mu\'on), al menos cinco jets (de los cuales dos provienen de quarks de tipo b) y una gran cantidad de energía transversa no detectada asociada a la presencia de un neutrino. Se utiliza un sistema de cortes para seleccionar la señal y reconstruir el sistema tt+1jet a nivel detector. Una vez sustraídos los fondos esperados, es posible definir el observable R a nivel de detector, como se explica en Cap\'itulo 5. Para poder extraer la masa del quark top es necesario comparar la distribución medida con los cálculos perturbativos, en un espacio fásico común, llamado volumen fiduciario. Los volúmenes fiduciarios se pueden definir a nivel de partones, donde los quarks top no han decaído a\'un, y a nivel de partículas, formado por partículas casi estables que típicamente interaccionan con los detectores de ATLAS. Otra posible opción es añadir a la predicción teórica los efectos del detector y hacer la comparación a nivel de detector. El Cap\'itulo 6 de esta tesis describe la metodología para extraer la masa del quark top desde el observable definido a nivel part\'onico. La determinación de la masa se obtiene tras corregir la distribución de nivel detector por los efectos de detector, hadronización y de decaimiento del quark top. El método de corrección elegido se basa en la inversión y regularización de una matriz de respuesta obtenida desde simulaciones Monte Carlo. Este método ha resultado ser independiente de la masa utilizada en las muestras Monte Carlo. Las incertidumbres sistemáticas que afectan la medida, experimentales y teóricas, se han estudiado en detalle. Las teóricas son las asociadas a los \'ordenes perturbativos y a la elección de la PDF del prot\'on en el cálculo teórico. Las incertidumbres experimentales tienen origen en el modelado de la señal, del detector y de la señal de fondo. Las incertidumbres experimentales dominantes han resultado ser las del modelado de la radiación inicial y final, del modelado de la hadronización, y las debidas a la calibración de la energía de los jets. En el Cap\'itulo 7, la masa polo se ha extraído a nivel detector, añadiendo efectos de detector a la predicción teórica de nivel part\'onico. El resultado de la medida a nivel detector es compatible con el obtenido a nivel part\'onico, cuando la misma información es utilizada en el ajuste. Además en el mismo cap\'itulo, el observable se ha presentado a nivel de partícula, para que pueda ser utilizada en la comparación con otros futuros cálculos definidos al mismo nivel. La extracción de la masa no se llevó a cabo al nivel de partículas debido a dificultades técnicas. Sin embargo, el nivel de partículas no tiene diferencias conceptuales con el nivel de detector, dado que en ambos niveles el quark top solo se puede definir desde sus productos de desintegración. Por lo tanto las conclusiones obtenidas para el nivel detector son validas para el nivel de partículas. Una discusión sobre los resultados obtenidos en distintos niveles se recoge en el Cap\'itulo 8. Una evaluación de los efectos sobre la medida de quark top en condiciones off-shell se ha llevado a cabo, concluyendo que dichos efectos son pequeños y contenidos en los errores evaluados. El valor obtenido para la masa polo del quark top y sus incertidumbres son: \begin{flalign*} m_{t}^{\text{pole}}&=171.06 \pm 0.43 ~({\rm stat.}) \pm 0.92 ~({\rm syst.}) ^{+ 0.66}_{-0.32} ~({\rm theo.})~\text{GeV} \end{flalign*} en acuerdo con los valores anteriormente obtenidos para la masa polo. Recientes cálculos del observable R a nivel part\'on, en el esquema de renormalización de sustracción mínima modificada %($\overline{\text{MS}}$) , permiten también extraer desde los mismo datos corregidos a nivel part\'onico, la masa ``running'' a su escala: \begin{flalign*} m_{t}(m_{t})&=162.89 \pm 0.45~({\rm stat.}) \pm 0.98 ~({\rm syst.}) ^{+ 2.08}_{-1.23} ~({\rm theo.})~\text{GeV} \end{flalign*} Los resultados de la masa polo y masa ``running'' resultan ser compatibles, teniendo en cuenta la relación entre los dos esquemas de renormalización. El error teórico evaluado para la masa ``running'' es mayor que el de la masa polo porque los correspondientes esquemas de renormalización describen de manera más o menos precisa el observable en la región donde la sensibilidad a la masa del quark top es mayor. Todos los resultados y los aspectos estudiados están resumidos en el Cap\'itulo 9, con el que concluye la tesis. Con una incertidumbre total de $\sigma(m_{t}^{\text{pole}})=^{+1.2}_{-1.1}$, el resultado de esta tesis representa la mejor medida de la masa polo del quark top hasta el momento.