Direct Top Quark Decay Width Measurement in the tt Lepton+Jets Channel at 8 TeV with the ATLAS Experiment

Direct Top Quark Decay Width Measurement in the tt Lepton+Jets Channel at 8 TeV with the ATLAS Experiment

Philipp Stolte-Cord to Krax

Doctoral thesis

Date of Examination: 2017-10-24

Date of issue: 2017-11-09

Advisor: Quadt, Arnulf Prof. Dr.

Referee: Quadt, Arnulf Prof. Dr.

Referee: Lai, Stan Prof. Dr.

Persistent Address: http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0023-3F5A-0

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Abstract

English

The top quark t plays an essential role in the field of elementary particle physics - in particular due to its exceptional properties comprising a large mass, which approximately equals the mass of a tungsten atom, and an enormously short lifetime. This thesis is devoted to the study of a fundamental property of the top quark - its decay width. Its value is predicted by the established Standard Model of particle physics and deviations may hint at yet unknown physics beyond this model. A direct measurement of the decay width of the top quark is presented. The analysis is based on tt events in the lepton+jets decay channel using data taken in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 8 TeV. The dataset was recorded in 2012 with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at CERN and corresponds to an integrated luminosity of 20.2 fb-1. The decay width of the top quark is extracted by utilising a template fit to one-dimensional distributions of kinematic quantities, performed simultaneously in the hadronic and the leptonic decay branch of tt events. Since the measurement is a direct measurement of the top quark decay width, it is less model-dependent in comparison to indirect approaches. This enables the measurement to probe a broad class of Standard Model extensions.

Keywords: Particle Physics; ATLAS Experiment; Top Quark Physics; Top Quark Decay Width

German

Das Top-Quark t spielt eine wesentliche Rolle im Bereich der Elementarteilchenphysik - insbesondere aufgrund seiner bemerkenswerten Eigenschaften, die eine sehr große Masse, die in etwa mit der eines Wolframatoms vergleichbar ist, sowie eine enorm kurze Lebensdauer umfassen. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung einer fundamentalen Größe des Top-Quarks - der Zerfallsbreite. Der Wert der Zerfallsbreite wird vom etablierten Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagt, und Abweichungen können auf Physik jenseits dieses Modells hinweisen. Diese Dissertation stellt eine direkte Messung der Zerfallsbreite des Top-Quarks vor. Die Analyse basiert auf tt-Ereignissen im Lepton+Jets Zerfallskanal und nutzt Analysedaten, die in Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV genommen wurden. Der Datensatz wurde im Jahr 2012 mit dem ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider am CERN aufgezeichnet und entspricht einer integrierten Luminosität von 20.2 fb-1. Die Zerfallsbreite des Top-Quarks ergibt sich mittels eines sogenannten Template-Fits an eindimensionale Verteilungen verschiedener kinematischer Größen. Jener Fit ist simultan im hadronischen und leptonischen Zerfallszweig der tt-Ereignisse realisiert. Da die Messung auf direkte Weise durchgeführt wird, ist sie modellunabhängiger als indirekte Methoden, was die Prüfung einer breiten Klasse von Standardmodellerweiterungen erlaubt.