Search for a heavy spin-1 resonance Z′ decaying into a top quark and a vector-like T′ at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the CMS experiment

Author: 
Anna Benecke
Date: 
Oct 2016

Thesis Type:

Many models of physics beyond the standard model predict vector-like quarks (T′) and a new heavy gauge boson (Z′). While decays of the Z′ and T′ into standard model particles have been already studied, no experimental results for the decay Z′ → tT′ are available so far. This search considers the decay of a heavy spin-1 boson Z′ decaying into a mixture of a standard model top quark (t) and a vector-like quark (T′). The predicted de- cays of the T′ quark to third generation standard model quarks leading to the three decay modes: T′ → Ht, T′ → Zt and T′ → Wb. The focus will be placed on the decays into Ht and Zt. The analysis is based on the data set collected 2015 by the CMS experiment at the LHC at a center of mass energy of 13 TeV. The data set correspond to an integrated luminosity of 2.6 fb$^{−1}$. The final state is represented by two top quarks and a H boson or a Z Boson. One of the top quarks is required to decay leptonically. Due to the difference in mass the bosons (H or Z) receive a large Lorentz boost and the decay products of the bosons appear as a single merged jet. Jet substructure techniques are used to identify the single merged jet as H boson or Z boson. The performance of the taggers is evaluated by measurements of the efficiency as well as the mistag rate. Sidebands are used to constrain the normalisation of the Standard Model backgrounds in the signal region. A reconstruction of the Z′ mass is done with a $\chi^2$ method. This variable shows a high discrimination power between signal and background. No excess over the expected standard model background is observed. Upper limits are set using the reconstructed Z′ mass for the different decay modes of the T ′ raging from 0.213 pb up to 1.18 pb.

In vielen Modellen neuer Physik wird das Standard Model durch vektorartige Quarks (T′) erweitert. Eine neues schweres Boson (Z′) geht mit diesen Vorhersagen einher. Es gibt mehrere experimentelle Suchen nach dem Zerfall des Bosons oder des vektorartigem Quarks in Standardmodell Teilchen. Bisher gibt es noch keine experimentellen Ergebnisse zum Zerfall des Bosons in ein Standardmodell t und ein vektorartiges Quark T′. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Zerfall des Z′ Boson in T′t. Das vektorartige T′ hat drei Zerfallskanäle: T′ → Ht, T′ → Zt und T′ → Wb. Der Fokus wird auf die ersten beiden Zerfälle gelegt. Für die Analyse wird der Datensatz von 2015 des CMS Experiments gewählt. Der Datensatz wurde bei eine Schwerpunktsenergie von 13 TeV aufgenommen und entspricht einer integrierten Luminosität von 2.6 fb$^{−1}$. Die Signatur dieses Zerfalls sind zwei Top Quarks mit einem H Boson oder ein Z Boson, wobei der Lepton+Jets Zerfall des $t\bar{t}$ Paares verlangt wird. Aufgrund des Massenunterschiedes zwischen dem vektor-artigen Quark T ′ und seinen Zerfallsprodukten ist der Endzustand stark geboostet. Dies ermöglicht den Einsatz von Substrukurtaggern. Die Leistungsfähigkeit der Substrukturtagger wurde durch Messungen der Effizienz und der Misidentificationsrate studiert. Seitenbänder wurden zur Bestimmung der Normierung des Standardmodell Untergrundes in der Signalregion genutzt. Zur Unterscheidung von Signal und Untergrund wird die rekonstruierte Masse des Z′ Boson genutzt. Diese Variable weist eine hohe Sensitivität auf. Es wird kein Überschuss an Daten im Vergleich zu den Erwartungen von Standardmodell Vorhersagen festgestellt. Ausschlussgrenzen für die Produktionsrate des Z′ Boson werden bei einem Konfidenzintervall von 95% gesetzt. Die Ausschlusgrenzen reichen je nach Zerfallskanal und Massenverteilung von 0.213 pb bis zu 1.18 pb.

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