Measurement of the ttZ Production Cross Section in the Final State with Three Charged Leptons using 36.1 fb^-1 of pp Collisions at 13 TeV at the ATLAS Detector

Measurement of the ttZ Production Cross Section in the Final State with Three Charged Leptons using 36.1 fb^-1 of pp Collisions at 13 TeV at the ATLAS Detector

Nils-Arne Rosien

Doctoral thesis

Date of Examination: 2018-01-22

Date of issue: 2018-02-14

Advisor: Quadt, Arnulf Prof. Dr.

Referee: Quadt, Arnulf Prof. Dr.

Referee: Lai, Stan Prof. Dr.

Referee: Frey, Ariane Prof. Dr.

Referee: Achkar, Baida Prof. Dr.

Referee: Covi, Laura Prof. Dr.

Referee: Schumann, Steffen Prof. Dr.

Persistent Address: http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-002E-E352-4

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Abstract

English

A measurement of the production cross section for a top quark pair in association with a Z boson (ttZ) is presented in this PhD thesis. Final states with exactly three charged leptons (electrons or muons) are used, taking into account the decay of the top quark pair in the lepton+jets channel and the decay of the Z boson into two charged leptons. The dataset used for this analysis corresponds to 36.1 fb^-1 of proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV, recorded during 2015 and 2016 by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The result of a profile likelihood fit to the event yields in four signal enriched regions and two background enriched regions is sigma(ttZ)=966+114-102(stat.)+115-114(syst.) fb. The observed (expected) significance is 7.2 (6.4) standard deviations from the background-only hypothesis. Within the experimental uncertainties, the result is in good agreement with the Standard Model prediction. This result is compared with two other ttZ analysis channels, using the same dataset but different lepton multiplicities. The analysis presented here is found to be the most sensitive one in terms of observed significance. The result of a combined fit of all three analysis channels is discussed. Two feasibility studies of possible future ttZ analysis techniques are demonstrated.

Keywords: top quark; ATLAS; LHC; particle physics; Z boson; ttZ

German

In dieser Dissertation wird eine Messung des Wirkungsquerschnitts für die Produktion von Top-Quark-Paaren, zusammen mit einem Z-Boson (ttZ), präsentiert. Endzustände mit exakt drei geladenen Leptonen (Elektronen oder Myonen) werden verwendet, was den Zerfall des Top-Quark-Paares im Lepton+Jets-Kanal und den Zerfall des Z-Bosons in geladene Leptonen berücksichtigt. Der Datensatz für diese Analyse entspricht einer integrierten Luminosität von 36.1 fb^-1 aus Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV, aufgezeichnet in 2015 und 2016 vom ATLAS-Detektor am LHC. Das Ergebnis eines Profile-Likelihood-Fits an die Anzahl der Ereignisse in vier Regionen, die mit Signalereignissen angereichert sind, und zwei Regionen, die mit Untergrundereignissen angereichert sind, ist sigma(ttZ)=966+114-102(stat.)+115-114(syst.) fb. Die beobachtete (erwartete) Signifikanz beträgt 7.2 (6.4) Standardabweichungen von der Nullhypothese. Innerhalb der Messunsicherheiten zeigt das Resultat eine gute Übereinstimmung mit der Vorhersage des Standardmodells. Dieses Resultat wird mit zwei anderen ttZ-Analysekanälen verglichen, die denselben Datensatz verwenden, jedoch eine andere Anzahl von geladenen Leptonen voraussetzen. Die hier vorgestellte Analyse stellt sich dabei, gemessen an der beobachteten Signifikanz, als die sensitivste von den dreien heraus. Des Weiteren wird das Resultat eines kombinierten Fits unter Verwendung dieser drei Analysekanäle diskutiert. Zudem werden zwei Machbarkeitsstudien von möglichen zukünftigen ttZ-Analysetechniken diskutiert.