Precision measurements and search for axion-like particles in final states with a Z boson and a photon in pp collisions at √s = 13 TeV with the ATLAS detector

Abstract

Precision measurements of Standard Model processes are a fundamental part of experimental particle physics. Diboson channels at the Large Hadron Collider (LHC) are interesting processes for precision measurements since the relatively high cross-sections and low background contamination allow for small uncertainties. This thesis presents differential cross-section measurements of the production of a Z boson and a photon (Zγ) in association with hadronic jets, using the full 139 fb−1 dataset of √s = 13TeV proton–proton collisions collected by the ATLAS detector during Run 2 of the LHC. Distributions are measured using events in which the Z boson decays leptonically and the photon comes from initial-state radiation. Measurements are made in observables sensitive to the hard scattering of the event and others which probe additional soft and collinear radiation. Different Standard Model predictions are compared with the unfolded measurements and good agreement is seen. Measurements of Zγ differential cross sections by the ATLAS collaboration are also interpreted in a search for low mass off-shell axion-like particles (ALPs). In the absence of signal, constraints are set on ALPs couplings to Z bosons and photons assuming gluon–gluon fusion production. The constraints are compared to those from other experiments and cosmological observations.

Präzisionsmessungen von Standardmodellprozessen sind ein grundlegender Bestandteil der experimentellen Teilchenphysik. Diboson-Produktionskanäle am Large Hadron Collider (LHC) sind interessante Prozesse für Präzisionsmessungen, da die relativ hohen Wirkungsquerschnitte und die geringe Hintergrundkontamination kleine Unsicherheiten zulassen. Diese Arbeit präsentiert differentielle Wirkungsquerschnittsmessungen der Produktion eines Z-Bosons und eines Photons (Zγ) in Verbindung mit hadronischen Jets unter Verwendung des vollständigen 139 fb−1-Datensatzes von √s = 13TeV Proton–Proton Kollisionen, die vom ATLAS-Detektor während des LHC Run 2 erfasst wurden. Verteilungen werden anhand von Ereignissen gemessen, in denen das Z-Boson leptonisch zerfällt und das Photon durch Abstrahlung im Anfangszustand entsteht. Messungen werden in Observablen durchgeführt, die die harte Streuung des Ereignisses testen, und in anderen, die zusätzliche weiche und kollineare Strahlung untersuchen. Unterschiedliche Standardmodellvorhersagen werden mit den entfalteten Messungen verglichen und es wird eine gute Übereinstimmung festgestellt. Messungen von differenziellen Wirkungsquerschnitten von Zγ durch die ATLAS-Kollaboration werden auch bei der Suche nach off-shell Axion-ähnlichen Teilchen (ALPs) interpretiert. In Abwesenheit eines Signals werden Ausschlussgrenzen auf die ALPs-Kopplungen an Z-Bosonen und Photonen bestimmt, wobei eine Gluon–Gluon-Fusionsproduktion angenommen wird. Die Einschränkungen werden mit denen aus anderen Experimenten und kosmologischen Beobachtungen verglichen.