Measurement of the inclusive and di erential cross sections of the associated production of a top-quark pair and a W boson, and search for leptoquarks in multilepton nal states with the ATLAS detector

Abstract

Aquesta dissertació presenta un ampli espectre d’anàlisis físiques que contenen múltiples leptons i jets etiquetats com a $b$-jets a l’estat final, usant les dades de col·lisions protó-protó a una energia del centre de masses de $\sqrt{s} = 13$ TeV registrats pel detector ATLAS del Gran Col·lisionador d’Hadrons (LHC, per les sigles en anglès). S’utilitza el conjunt de dades del Run 2 complet, que correspon a una lluminositat integrada de 139 fb$^{-1}$. La dissertació s’estructura al voltant de dos eixos principals. El primer eix se centra en el mesurament de la secció eficaç inclusiva i diferencial de la producció associada d’un parell de quarks top i un bosó $W$ (\ttW). Aquesta mesura està molt motivada a causa de les tensions observades a l’anàlisi de les dades per part dels experiments ATLAS i CMS. El modelatge teòric d’aquest procés representa un gran desafiament a causa de correccions d’ordre superior importants, cosa que requereix un gran esforç per aconseguir una simulació precisa d’aquesta contribució. El mesurament es realitza tant de manera inclusiva com a diferencial, on es corregeixen per efectes experimentals diversos observables. La secció eficaç de \ttW es mesura consistentment més alta que la predicció del Model Estàndard (SM, per les sigles en anglès) per un factor de $\mu_{\ttW}$=1.46$^{\,+0.14}_{ \,-0.13}$. El segon eix se centra en la recerca de física més enllà del SM (BSM, per les sigles en anglès) i, en particular, en la cerca de leptoquarks. Els leptoquarks són un dels escenaris BSM més afavorits per descriure les intrigants desviacions reportades a les desintegracions de mesons $B$ per part dels experiments LHCb i les fàbriques de $B$. Aquesta tesi té com a objectiu la producció de leptoquarks en parells amb una massa a l’escala del TeV, cadascun dels quals s’acobla simultàniament amb un quark top i un leptó ($e,\, \mu,\, \tau$- leptó). Aquest esforç es divideix en dues cerques dedicades als estats finals $t\ell t\ell$ i $t\tau t\tau$, respectivament. No es troba un excés significatiu en les dues cerques, i s’estableixen els límits superiors més restrictius fins a la data a la secció eficaç del senyal, així com en la fracció de desintegració, en funció de la massa del leptoquark per a diversos models de leptoquarks escalars i vectorials. En la cerca de $t\ell t\ell$, s’exclou un leptoquark escalar amb una massa d’aproximadament 1.6 TeV amb un nivell de confiança del 95\%, assumint que decau exclusivament en $te$ o $t\mu$. L’exclusió més estricta per a un leptoquark vector arriba als 2.0 TeV. A la cerca $t\tau t\tau$, les exclusions corresponents per als mateixos tipus de leptoquarks escalars i vectorials són d’aproximadament 1.4 TeV i 1.8 TeV, respectivament. Aquestes cerques també es combinen amb altres cerques de leptoquarks a ATLAS, millorant significativament la sensibilitat.

Esta disertación presenta un amplio espectro de análisis físicos que contienen múltiples leptones y jets etiquetados como $b$-jets en el estado final, usando los datos de colisiones protón-protón a una energía del centro de masas de $\sqrt{s} = 13$ TeV registrados por el detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés). Se utiliza el conjunto de datos del Run 2 completo, que corresponde a una luminosidad integrada de 139 fb$^{-1}$. La disertación se estructura a lo largo de dos ejes principales. El primer eje se centra en la medición de la sección eficaz inclusiva y diferencial de la producción asociada de un par de quarks top y un bosón $W$ ($t\bar{t}W$). Esta medida está muy motivada debido a las tensiones observadas en el análisis de los datos por parte de los experimentos ATLAS y CMS. El modelado teórico de este proceso representa un gran desafío debido a correcciones de orden superior importantes, lo cual requiere un gran esfuerzo para lograr una simulación precisa de esta contribución. La medición se realiza tanto de manera inclusiva como diferencial, donde se corrigen por efectos experimentales varios observables. La sección eficaz de $t\bar{t}W$ se mide consistentemente más alta que la predicción del Modelo Estándar (SM, por sus siglas en inglés) por un factor de $\mu_{t\bar{t}W}$=1.46$^{\,+0.14}_{\,-0.13}$. El segundo eje se centra en la búsqueda de física más allá del SM (BSM, por sus siglas en inglés) y, en particular, en la búsqueda de leptoquarks. Los leptoquarks son uno de los escenarios BSM más favorecidos para describir las intrigantes desviaciones reportadas en las desintegraciones de mesones $B$ por parte de los experimentos LHCb y las fábricas de $B$. Esta tesis tiene como objetivo la producción de leptoquarks en pares con una masa en la escala del TeV, cada uno de los cuales se acopla simultáneamente con un quark top y un leptón ($e,\, \mu,\, \tau$-leptón). Este esfuerzo se divide en dos búsquedas dedicadas dirigidas a los estados finales $t\ell t\ell$ y $t\tau t\tau$, respectivamente. No se encuentra un exceso significativo en ambas búsquedas, y se establecen los límites superiores más restrictivos hasta la fecha en la sección eficaz de la señal, así como en la fracción de desintegración, en función de la masa del leptoquark para varios modelos de leptoquarks escalares y vectoriales. En la búsqueda de $t\ell t\ell$, se excluye un leptoquark escalar con una masa de aproximadamente 1.6 TeV con un nivel de confianza del 95\%, asumiendo que decae exclusivamente en $te$ o $t\mu$. La exclusión más estricta para un leptoquark vector alcanza los 2.0 TeV. En la búsqueda $t\tau t\tau$, las exclusiones correspondientes para los mismos tipos de leptoquarks escalares y vectoriales son de aproximadamente 1.4 TeV y 1.8 TeV, respectivamente. Estas búsquedas también se combinan con otras búsquedas de leptoquarks en ATLAS, mejorando significativamente la sensibilidad.

This dissertation presents a broad spectrum of physics analyses containing multiple leptons and $b$-tagged jets in their final state using data from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of $\sqrt{s} = 13$ TeV recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider (LHC). The full Run 2 dataset is used period, which corresponds to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. The dissertation is structured along two main axes. The first axis is centred around the measurement of the inclusive and differential cross section of the associated production of a top-quark pair and a $W$ boson ($t\bar{t}W$). This measurement is greatly motivated due to $t\bar{t}W$-like tensions in data reported by the ATLAS and CMS experiments. The theoretical modelling of this process is quite challenging due to non-negligible higher order corrections, resulting into a great effort to achieve an accurate simulation of this contribution. The measurement is performed both inclusively and differentially, where several observables are unfolded at particle level. The $t\bar{t}W$ prediction is measured to be consistently higher than the SM expectation with an inclusive signal strength of $\mu_{t\bar{t}W}$=1.46$^{+0.14}_{-0.13}$. The second axis focuses on searches for physics beyond the SM (BSM) and, particularly, on searches for leptoquarks. Leptoquarks are one of the most favoured BSM scenarios to describe the intriguing deviations reported in $B$-meson decays by the LHCb experiments and the $B$ factories. This thesis is targeting pair-produced leptoquarks with a mass in the TeV scale each coupling simultaneously into a top quark and a lepton ($e, \mu, \tau$-lepton). This effort is divided in two dedicated searches targeting $t\ell t\ell$ and $t\tau t\tau$ signatures, respectively. No significant excess is found in both searches, and the most restrictive to date upper limits are set on the signal cross section and the branching ratio as a function of the leptoquark mass for several scalar and vector leptoquark models. In the $t\ell t\ell$ search, a scalar leptoquark with a mass about 1.6 TeV is excluded at the 95\% confidence level, assuming it decays exclusively into $te$ or $t\mu$. The most stringent exclusion for a vector leptoquark reaches 2.0 TeV. In the $t\tau t\tau$ search, the corresponding exclusions for the same types of scalar and vector leptoquarks are about 1.4 TeV and 1.8 TeV, respectively. These searches are also combined with other leptoquark searches in ATLAS, significantly improving the sensitivity.