Cross section measurements of processes with a single top quark and two vector bosons with the CMS experiment

Abstract

Der ATLAS und CMS Detektor sammelten wahrend des LHC Run-II von 2015 bis 2018 Daten mit einer integrierten Luminosität von jeweils 140 fb-1. Diese große Anzahl an Daten ermöglichte die Untersuchung von den schwersten Elementarteilchen, wie dem Higgs Boson und dem Top Quark, mit beispielloser Präzision. Darüber hinaus boten die beiden Prozesse die Möglichkeit nach Physik jenseits des Standardmodells (BSM) zu suchen, welche sich durch Modikationen der Top Quark Kopplungen zeigen konnte. Nichtsdestotrotz gibt noch viel Raum für neue Entdeckungen: Die noch unentdeckten tVV Prozesse bestehen aus einem einzelnen Top Quark und zwei schweren Vektorbosonen. Mit dem kommenden LHC Run-III, zwischen 2021 und 2024, wird sich die Anzahl der Daten verdoppeln, was zu einer integrierten Luminosität von bis zu 300 fb-1 fuhren wird. Die große Anzahl an Daten konnte ausreichend sein um einige tVV Prozesse zu entdecken und darüber hinaus ihre Sensitivität bezüglich BSM Phänomene zu untersuchen. Unter den tVV Prozessen, stellte sich tWZ als der vielversprechendste Kandidat für eine Run-III Wirkungsquerschnittmessung heraus. Mit der Auswahl von bestimmten Events ist es möglich den Prozess von seinen dominanten Backgrounds zu trennen und mithilfe eines Multivariaten Verfahrens (MVA) kann der endgültig führende Background separiert werden. Die Ergebnisse des MVAs wurden anschließend benutzt um den Wirkungsquerschnitt und die dazugehörigen Unsicherheiten zu bestimmen. Der Prozess ist sensitiv zu vielen elektroschwachen BSM Effekten, welche im Zusammenhang einer SM Effective Field Theory durch Wilson Koeffizienten und Operatoren mit der Massendimension 6 parametrisiert werden können. Diese Operatoren beeinflussen die Kopplungen des Top Quarks und eine tWZ Wirkungsquerschnittmessung ermöglicht die weitere Einschränkung einiger dieser Wilson Koeffizienten auf neuartiger Weise. In dieser Arbeit präsentiere ich die Durchführbarkeit einer LHC Run-III Wirkungsquerschnittmessung der tVV Prozesse mit Daten des CMS Experiments und zeige die dazugehörige projizierte Sensitivität auf die anomalen Top Quark Kopplungen.

The ATLAS and CMS detectors each accumulated data with an an integrated luminosity of 140 fb-1, during the LHC Run-II from 2015 to 2018. This large amount of data provides a foundation to study the physics of the heaviest elementary particles, such as the Higgs boson and the top quark, with unprecedented precision. Additionally, these studies provided the opportunity to search for physics beyond the standard model (BSM), that may reveal itself in modications of the top quark couplings. There is still a lot of room for new discoveries: tVV processes consist of a single top quark and two heavy vector bosons and have not been observed yet. With the upcoming LHC Run-III between 2021 and 2024, the size of the data sets will double to an integrated luminosity of about 300 fb1. This large amount of data might be enough to observe specic tVV processes and study their sensitivity to BSM phenomena. Among the tVV processes, tWZ is the most promising candidate for a LHC Run-III cross section measurement. It is possible to discriminate the process from its main backgrounds using dedicated event selections and by separating o the leading backgrounds with a multivariate classier (MVA). The results of the MVA were used to obtain the cross section and the associated uncertainties. Furthermore, the tWZ process is sensitive to many BSM eects in the electroweak sector, which are parametrized in the context of SM effective field theory by Wilson coefficients of operators with mass dimension 6. Such operators affect the top quark couplings and the tWZ cross section measurements thus constrain many of the Wilson coefficients in novel ways. In this thesis I present the feasibility of the cross section measurement of the tVV processes at the LHC Run-III with data from the CMS experiment and present the projected sensitivity to anomalous top quark couplings.