Measurement of Top-Quark Mass and Inclusive Top-Quark-Pair Production Cross Section in pp Collisions at √s = 7/8 TeV with CMS

Author: 
Eike Schlieckau
Date: 
Aug 2014

Thesis Type:

One of the most intriguing particles in the Standard Model is the top quark, the heaviest fundamental particle known to date. In this thesis, the mass of the top quark and the production cross section for top-quark pairs are measured from events with a top-quark pair decaying only into hadrons. This challenging decay mode features a high rate but is drowned by multijet background events. The top quarks are produced at the Large Hadron Collider and the decay products are detected with the Compact Muon Solenoid experiment. Data collected at centre-of-mass energies of 7 and 8 TeV with integrated luminosities of 3.54 fb$^{-1}$ and 18.2 fb$^{-1}$ is used for the presented measurements.

In order to improve the reconstruction and identification of the desired events, constrained least-squares fitting is utilised, which exploits the kinematics of top-quark pair events. The top-quark mass and the production cross section for top-quark pairs are extracted using likelihoods from events with at least six jets created from the hadrons in the final state. In order to reduce systematic uncertainties on the result, their main sources are incorporated into the likelihoods and are estimated in parallel with the mass itself. Combining all these methods, the most precise measurement of the top-quark mass from all-jets events so far is achieved. The top-quark mass is measured to be $172.08 \pm 0.90$ GeV.

Eines der faszinierendsten Teilchen des Standardmodells ist das Topquark, das schwerste, heute bekannte, fundamentale Teilchen. In dieser Arbeit werden die Masse des Topquarks und der Produktionswirkungsquerschnitt für Topquarkpaare aus Ereignissen gemessen, in welchen ein Topquarkpaar nur in Hadronen zerfällt. Diese herausfordernde Zerfallsweise bietet eine hohe Rate, wird aber von Mehrjetuntergrundereignissen ertränkt. Die Topquarks werden am ``Large Hadron Collider'' produziert und die Zerfallsprodukte werden mit Hilfe des ``Compact Muon Solenoid''-Experimentes detektiert. Daten, welche bei Schwerpunktsenergien von 7 und 8 TeV mit integrierten Luminositäten von 3.54 fb$^{-1}$ und 18.2 fb$^{-1}$ genommen wurden, werden für die hier präsentierten Messungen verwendet.

Zur verbesserten Rekonstruktion und Identifikation der gewünschten Ereignisse wird eine Anpassung der kleinsten, quadratischen Abweichungen unter Zwangsbedingungen verwendet, welche die Kinematik von Topquarkpaarereignissen ausnutzt. Die Topquarkmasse und der Topquarkpaarproduktionswirkungsquerschnitt werden aus Ereignissen mit mindestens sechs Jets, welche von den Hadronen erzeugt wurden, mit Hilfe von Wahrscheinlichkeitsdichten extrahiert. Zur Reduzierung der systematischen Unsicherheiten des Ergebnisses werden ihre wichtigsten Quellen in den Wahrscheinlichkeitsdichten berücksichtigt und parallel mit der Masse selbst abgeschätzt. Durch die Kombination all dieser Methoden wird die bis jetzt genaueste Messung der Topquarkmasse aus reinen Jetereignissen erreicht. Die Topquarkmasse ist mit $172.08 \pm 0.90$ GeV gemessen.

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