Precision measurements in boosted top quarks in the ATLAS detector

La presente tesis doctoral recoge principalmente una serie de estudios relacionados con la física del quark top, la partícula fundamental más pesada predicha teóricamente en el marco del Modelo Estándar y observada experimentalmente por los experimentos CDF y D0 en el acelerador de partículas Tevatron, en 1995. Debido a su gran masa, el quark top es de especial interés en la comunidad científica; entre otros, determina la estabilidad del vacío electrodébil junto con la masa del bosón de Higgs, introduce correcciones cuánticas grandes que modifican los cálculos del Modelo Estándar y podría ser especialmente sensible a efectos de física más allá del Modelo Estándar. Con todo ello, se han dedicado muchos esfuerzos a entender y caracterizar sus propiedades con la mayor precisión posible. El gran colisionador de hadrones (conocido como LHC por sus siglas en inglés) es el mayor laboratorio de física de partículas de altas energías jamás construido, donde protones son acelerados en sentidos opuestos y colisionados a una energía en centro de masas de 13 teraelectronvoltios. La alta energía alcanzada y la elevada tasa de colisiones permiten estudiar las propiedades del quark top con una precisión sin precedentes. El experimento ATLAS, ubicado en el LHC, recoge, aisla y analiza los productos de las colisiones de protones, en las que la producción de pares de quarks top y antitop es muy abundante. La reconstrucción de eventos que contienen pares top-antitop proporciona acceso directo a sus propiedades cuánticas, como secciones eficaces de producción, la probabilidad de desintegración en diferentes canales y su masa, entre otros. El trabajo presentado en esta tesis proporciona, en primer lugar, la calibración de la respuesta del detector ATLAS a la masa de jets grandes formados total o parcialmente por los productos de desintegración de quarks top, siendo la más precisa obtenida hasta la fecha. En segundo lugar, se propone un método para interpretar la medida de la masa del quark top, uno de los aspectos más controvertidos de la física de quark top; debido a que éste se desintegra en partículas más ligeras antes de formar estados ligados, estables y por lo tanto detectables experimentalmente, hay que servirse de simulaciones basados en técnicas Monte Carlo que complementan los cálculos que ofrece el Modelo Estándar. Estas aproximaciones pueden introducir ambigüedades en la propia definición de la masa, por lo que medidas de la masa del quark top que usan o no simulaciones de Monte Carlo podrían hacer referencia a parámetros conceptual y formalmente diferentes. En este trabajo, se proporcionan resultados para esclarecer la relación entre la masa del quark top como parámetro de simulaciones de Monte Carlo y como parámetro del Modelo Estándar. En tercer lugar, se utiliza la distribución angular de quarks top-antitop producidos en pares y detectados por ATLAS para buscar señales de física más allá del Modelo Estándar que pudieran alterar los valores esperados. En base a los resultados obtenidos, no se ha encontrado evidencia de la presencia de física más allá del Modelo Estándar en este observable. En último lugar, y paralelamente al estudio de la física del quark top, se propone un método para determinar, por primera vez, la masa del quark bottom a la escala de energía de la masa del bosón de Higgs, a partir de datos recogidos por el detector ATLAS y CMS. Junto con medidas previas a escalas de energía más bajas, ester resultado ha permitido confirmar experimentalmente con una evidencia de 5 sigmas la evolución de la masa del quark bottom con la energía, siendo dicha evolución compatible con la predicha por el Modelo Estándar.