Determination of the pole mass of the top quark with ATLAS

La massa del quark top és un paràmetre fonamental dins del Model Estàndard de la física de partícules. Encara que el SM ha demostrat ser extraordinàriament reeixit en la descripció de molts processos físics, no prediu intrínsecament els valors de les masses de les partícules ni la intensitat de les seues interaccions; aquestes quantitats han de determinar-se experimentalment. Segons el SM, les masses de les partícules s’originen a partir de les interaccions amb el camp de Higgs, i la massa del quark top, com a partícula elemental més pesada coneguda, té un paper especialment influent. En combinació amb la massa del bosó de Higgs, la massa del quark top impacta directament en l’estabilitat del buitelectrodébil. Pertant, una mesura precisa d’aquest paràmetre és essencial per a determinar si l’estat del buit de l’univers és estable, metaestable o inestable, i si cal una nova física més enllà del Model Estàndard per a explicar-ne la dinàmica. En esta tesi es presenta una mesura precisa de la secció eficaç diferencial normalitzada de la producció de parelles top-antitop amb un jet (tt+ 1-jet), així com la determinació corresponent de la massa del quark top al punt de pol. L’anàlisi es realitza utilitzant dades de col·lisions protó-protó registrades pel detector ATLAS durant el Run 2 del Gran Col·lisionador d’Hadrons (LHC), corresponents a una lluminositat integrada de 140 fb−1. Els esdeveniments seleccionats presenten un estat final dileptònic, concretament en el canal emu, on la parella top-antitop decau en un electró, un muó i dos neutrins. Un dels principals reptes en la reconstrucció d’esdeveniments tt és la presència de dos neutrins, que escapen a la detecció. Els seus moments es calculen mitjançant l’energia transversal perduda (ETmiss) observada al detector. Una vegada reconstruïts, es construeix al nivell de detector un observable clau, ρs, definit com l’invers de la massa invariant del sistema tt+jet. Este observable és sensible a la massa del quark top i posteriorment s’extrapola al nivell de partons per a corregir els efectes del detector i fer significatives les comparacions amb les prediccions teòriques. El procediment d’extrapolació s’executa amb dues tècniques complementàries: Iterative Bayesian Unfolding (IBU) i la correcció bin a bin. A partir de la secció eficaç diferencial desplegada, s’extrau la massa del quark top realitzant un ajust chi2 als càlculs teòrics d’ordre fix (FO) en QCD amb precisió de següent ordre líder (NLO) per al procés pp→ tt+1-jet. A més, s’empra un nou càlcul teòric d’ordre fix, que té en compte tota la cadena de desintegració dels quarks top, incloent-hi els efectes off-shell amb precisió NLO. Aquest càlcul es correspon amb el procés 2-7: pp→ bbllnunu+jet. Els observables al nivell del detector, definits usant leptons carregats, neutrins reconstruïts, jets etiquetats com a bi el jet addicional, s’extrapolen per a correspondre amb el nivell partònic del càlcul 2 - 7. Aquesta és la primera vegada que s’extrau la massa del quark top utilitzant aquest marc teòric específic. El resultat s’ha comparat amb el que es deriva del càlcul més tradicional 2 - 3, oferint informació sobre la consistència i fiabilitat d’ambdós enfocaments. La mesura final de la secció eficaç diferencial normalitzada en funció de ρs condueix a una determinació de la massa del quark top: mpole t = XXX.XX ±1.47/1.42 GeV. Aquest és el principal resultat de la tesi i està en bon acord amb el valor obtingut usant el càlcul d’ordre fix 2 - 7, que ofereix: mtpole =XXX.XX±1.86/2.19 GeV. A més, aquestes troballes són consistents amb mesures similars realitzades per la col·laboració CMS, que va emprar la mateixa metodologia. La validació creuada amb CMS i altres mètodes alternatius aporta solidesa al resultat i reforça la fiabilitat de les tècniques d’extrapolació i de les prediccions teòriques utilitzades en aquest treball. En conclusió, aquesta tesi proporciona una mesura completa i innovadora de la massa del quark top mitjançant l’anàlisi d’esdeveniments tt+1-jet en el canal emu. Mitjançant l’ús de tècniques d’extrapolació avançades I prediccions teòriques d’última generació, aporta informació valuosa sobre un dels paràmetres més crucials del Model Estàndard. Els resultats tenen implicacions significatives tant per a proves de precisió del ME com per a qüestions més àmplies relacionades amb l’estabilitat del buit i la possible existència de nova física més enllà del marc teòric actual.