Differential Cross Sections for Top-Quark-Pair Production in the e / µ + Jets Final State at √s = 8 TeV in CMS

Author: 
Martin Görner
Date: 
Aug 2014

Thesis Type:

The large number of top quarks produced in proton-proton (pp) collisions at the Large Hadron Collider facilitates precision measurements of top-quark properties that are crucial for testing the consistency of the Standard Model (SM) of particle physics. In particular, differential measurements of the top-quark pair (${\rm t}\overline{\rm t}$) production cross section are essential for comparison with state-of-the-art predictions of Quantum Chromodynamics (QCD) within the SM and for searches for new physics phenomena beyond it. In this thesis, normalised differential ${\rm t}\overline{\rm t}$ cross sections are measured at a pp centre-of-mass energy of $\sqrt{\rm s} = 8$ TeV. The analysed dataset is recorded by the CMS experiment and corresponds to an integrated luminosity of 19.7 fb$^{-1}$. The ${\rm t}\overline{\rm t}$ production cross section is measured differentially as a function of eighteen kinematic quantities of the top quarks and their decay products. The achieved precision of typically $3-7 \%$ allows to distinguish between different QCD predictions for several of the analysed quantities. In particular, the measured ${\rm t}\overline{\rm t}$ production cross section as a function of the top-quark transverse momentum and its impact on different top-quark related measurements, also outside the scope of this work, is discussed in detail. In addition, the top-quark mass is determined from the normalised differential cross section as a function of the invariant mass of the ${\rm t}\overline{\rm t}$ system and one additional jet. The obtained result is compatible with other measurements, including the world-average top-quark mass, within the achieved precision of about 1.5 \%.

Die große Anzahl an Top-Quarks, die in Proton-Proton (pp) Kollisionen am Large Hadron Collider erzeugt werden, ermöglicht es, die Eigenschaften des Top-Quarks detaillierter zu untersuchen als jemals zuvor und damit die Konsistenz des Standardmodells (SM) der Teilchenphysik zu testen. Insbesondere differentielle Messungen des Wirkungsquerschnittes zur Produktion von Top-Quark-Paaren (${\rm t}\overline{\rm t}$) sind hierbei relevant -- zum einen für Vergleiche mit aktuellen Vorhersagen der Quantenchromodynamik (QCD) innerhalb des SM und zum anderen für Suchen nach Physik jenseits davon. In der vorliegenden Arbeit werden achtzehn normierte differentielle Wirkungsquerschnitte zur ${\rm t}\overline{\rm t}$-Produktion bei einer pp-Schwerpunktsenergie von $\sqrt{\rm s} = 8$ TeV gemessen. Der analysierte Datensatz wurde vom CMS-Experiment aufgezeichnet und entspricht einer integrierten Luminosit\"{a}t von 19.7 fb$^{-1}$. Der ${\rm t}\overline{\rm t}$-Produktionswirkungsquerschnitt wird differentiell als Funktion von achtzehn kinematischen Größen der Top-Quarks und ihrer Zerfallsprodukte gemessen. Die typische Präzision von $3-7 \%$ erlaubt es, für verschiedene Größen zwischen unterschiedlichen QCD-Vorhersagen zu unterscheiden. Insbesondere die gemessene Verteilung des Transversalimpulses der Top-Quarks und der Einfluss auf andere Messungen im Zusammenhang mit Top-Quark-Paaren, auch außerhalb dieser Arbeit, werden im Detail diskutiert. Weiterhin wird die Masse des Top-Quarks aus dem normierten differentiellen Wirkungsquerschnitt als Funktion der invarianten Masse des ${\rm t}\overline{\rm t}$-Systems und eines zusätzlichen Jets bestimmt. Die gemessene Top-Quark-Masse ist innerhalb der erreichten Genauigkeit von etwa 1.5 \% mit anderen Messungen und dem Weltdurchschnittswert verträglich.

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