Searching for Heavy Particles Coupled to Top Quarks with CMS

Abstract

In der vorgelegten Arbeit werden zwei Suchen nach neuen schweren Teilchen mit Top Quarks im Endzustand ihres Zerfalls präsentiert. Die Analysen basieren auf Daten, die vom CMS Detektor in den Jahren 2016 beziehungsweise 2017 aufgenommen wurden. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die erste Suche nach paar-produzierten Leptoquarks (LQs), die in Top Quarks und Myonen zerfallen, präsentiert. Dieser Zerfallskanal hat jüngst Aufmerksamkeit auf sich gezogen, weil er zu einer Erklärung der Anomalien, die in Zerfällen von B Mesonen gemessen wurden, und des anomalen magnetischen Moments des Myons beitragen könnte. Der für diese Analyse verwendete Datensatz wurde vom CMS Detektor in Proton-Proton Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 13TeV im Jahr 2016 aufgenommen und entspricht einer integrierten Luminosität von 35.9fb-1 . Ereignisse mit mindestens zwei Myonen und Jets werden analysiert und basierend auf der Präsenz eines zusätzlichen Elektrons oder Myons kategorisiert. Keine Abweichung von der Vorhersage des Standardmodells wird festgestellt und obere Grenzen auf den LQ-Paarproduktionswirkungsquerschnitt werden bestimmt. Unter der Annahme eines Verzweigungsverhältnisses von 1 für den Zerfall LQ → tμ werden LQs unterhalb einer Masse von 1420GeV ausgeschlossen. In Kombination mit Ergebnissen in den LQ → tτ und LQ → bν Zerfallskanälen werden LQs mit Massen von weniger als 900GeV für jede Kombination von Verzweigungsverhältnissen für Zerfälle in tμ und tτ oder bν ausgeschlossen. Für den High-Luminosity LHC wird erwartet, dass LQs, die in tμ oder tτ zerfallen, für Massen unterhalb von 1400 oder 1200GeV ausgeschlossen oder mit einer Signifikanz von 5σ entdeckt werden können. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden simulationsbasierte Studien für die Verbesserung der Sensitivität existierender Suchen nach resonanter Top-Quark Paarproduktion mit einer neuartigen Analysemethode präsentiert. Die Analyse wird im Endzustand mit genau einem Myon und Jets für eine integrierte Luminosität von 41.5fb−1 durchgeführt, was dem Datensatz, der vom CMS Experiment im Jahr 2017 aufgenommen wurde, entspricht. Klassifikationsalgorithmen, die auf tiefen neuronalen Netzen basieren, werden entwickelt. Deren Leistungsfähigkeit und die erwartete Sensitivität werden für Algorithmen, die mit oder ohne Signalereignisse trainiert wurden, verglichen. Während der erste Ansatz eine Reinterpretation der Ergebisse ermöglicht und die Sensitivität insbesondere für niedrige Massen verbessert, werden die oberen Grenzen auf den Produktionswirkungsquerschnitt von Kaluza-Klein Gluonen um etwa 50% oder mehr im Vergleich zur Analyse des Datensatzes aus 2016 verbessert. Unter der Annahme von Zerfällen in tt werden solche Teilchen voraussichtlich bis zu Massen von 4.30TeV ausgeschlossen.

In this thesis, two searches for new heavy particles with top quarks in the final state are presented. They are based on data recorded by the CMS detector in the years 2016 and 2017, respectively. In the first part of this thesis, the first search for pair-produced leptoquarks (LQs) decaying to top quarks and muons is presented. Lately, this decay mode has attracted attention because it could contribute to an explanation of the anomalies recently observed in the decay of B mesons and of the anomalous magnetic moment of the muon. The search is based on proton-proton collision data recorded by the CMS experiment in the year 2016 corresponding to an integrated luminosity of 35.9fb-1. The search is performed in the final state with at least two muons and jets. Events are categorized based on the presence of an additional electron or muon. No excess over the standard model expectation is observed and upper limits on the LQ pair production cross section are derived. Assuming unit branching fraction for the decay LQ → tμ, LQs are excluded below masses of 1420 GeV. In combination with results in the LQ → tτ and LQ → bν decay channels, LQs with masses below 900 GeV are excluded for all possible branching fractions of decays to tμ and tτ or bν. At the High-Luminosity LHC, LQs decaying to tμ or tτ are expected to be in reach for a discovery at the 5σ level or to be excluded up to masses of 1200 or 1400GeV, respectively, for all values of the branching fraction. In the second part of this thesis, simulation-based studies aiming at improving the sensitivity of existing searches of resonant top quark pair production with a novel analysis strategy are presented. The analysis is performed in the final state with exactly one muon and jets for an integrated luminosity of 45.1fb−1, which corresponds to the dataset recorded by the CMS experiment in the year 2017. A deep-neural-network-based multi-class event classifier is developed. The classification performance and expected sensitivity are compared between a signal-agnostic and signal-specific training of the classifier. The former approach enables reinterpretability of the results and improves the sensitivity especially for low resonance masses. With the latter approach, the expected upper limit on the Kaluza-Klein gluon production cross section is improved by about 50% or more over the whole mass range compared to the 2016 analysis. Such particles are expected to be excluded below masses of 4.30TeV under the assumption of exclusive decays to tt.