Phenomenology of ttH Production with Top Quark Running Mass and the Differential Cross-Section Measurement of tt+b-jets Production in the Dilepton Channel at sqrt(s)=13 TeV with the CMS Experiment

Abstract

Eine Phänomenologiestudie und eine Messung von differentiellen Wirkungsquerschnitten werden in dieser Arbeit vorgestellt. Im Rahmen der Phänomenologiestudie werden differentielle Wirkungsqueschnitte der gemeinsamen Produktion eines Top-Quark-Paares mit einem Higgs-Boson (ttH) zum ersten Mal mit der laufenden Masse des Top-Quark im MSbar-Renormierungsschema berechnet. Die Wirkungsquerschnitte und deren Skalenunsicherheiten werden in Abhängigkeit der kinematischen Variablen der Top-Quarks, des Higgs-Bosons, des Top Quark-Antiquark Systems und der invarianten Masse des ttH-Systems berechnet. Anschließend werden die Ergebnisse mit Berechnungen im Polmassenschema verglichen. Insgesamt sind die Skalenunsicherheiten der Berechnungen im MSbar-Renormierungsschema etwas kleiner im Vergleich zu den Berechnungen im Polmassenschema.

Die zweite Studie, die in dieser Thesis vorgestellt wird, ist die Messung des totalen und der differentiellen Wirkungsquerschnitte der Top-Quark-Paar Produktion mit zusätzlichen Jets, die durch die Hadronisierung von Bottom-Quarks entstehen. Diese Messung wird im di-leptonischen Zefallskanal des tt-Systems bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt(s)=13 TeV durchgeführt. Die Analyse nutzt Daten, die mit dem CMS-Detektor während des Zeitraums des LHC Run II in den Jahren 2016, 2017 und 2018 aufgenommen wurden.Der aufgenommene Datensatz entspricht einer integrierten Luminosität von 137.19 fb^{-1}. Der gemessene totale Wirkungsquerschnitt der tt+b-jets-Produktion beträgt 4.91+-0.08(stat)+0.47-0.43(sys) pb. Diese Messung ist die genaueste, die bis zum Zeitpunkt des Schreibens der Thesis durchgeführt wurde.

Im zweiten Teil der Analyse werden die absoluten und normierten differentiellen Wirkungsquerschnitte in Abhängigkeit des Transversalimpulses, des Betrages der Pseudorapidität, der invarianten Masse, und des Abstandes der zusätzlichen b-Jets gemessen. Zum ersten Mal werden ebenfalls die differentiellen Verteilungen des zweithärtesten zusätzlichen b-Jets bei sqrt(s)=13 TeV untersucht. Zwei Top-Quark-Definitionen werden genutzt um die zusätzlichen b-Jets auf Generatorebene zu definieren: ein auf Parton basierender und ein ausschließlich auf Teilchen basierender Ansatz werden studiert. Die Ergebnisse werden mit Monte-Carlo-Simulationen der tt+jets- und tt+b-jets-Prozesse verglichen, die dem letzten Stand der Technik entsprechen. Insgesamt beschreiben alle berücksichtigten Simulationen die normierten Verteilungen vergleichbar gut. Allerdings werden die absoluten differentiellen Wirkungsquerschnitte am besten von den Powheg+Openloops+Pythia8 und PowHel+Pythia8 (5FNS) tt+b-jets Simulationen beschrieben.

A phenomenology study and a differential cross-section measurement are presented in this thesis. For the phenomenology study, the differential cross-sections of the top quark pair production in association with a Higgs boson (ttH) are calculated with the top quark running mass in the MSbar renormalization scheme for the first time. The cross-sections and their scale uncertainties are calculated as a function of the kinematic variables of the top quarks, the Higgs boson, the top quark anti-quark system, and the invariant mass of the ttH system. Subsequently, the results are compared to calculations in the pole mass scheme. Overall, the scale uncertainties in the calculations using the MSbar scheme are found to be slightly reduced compared to the pole mass scheme.

The second study presented in this thesis is the total and differential cross-section measurements of the top quark pair production with additional jets originating from the hadronization of bottom quarks (tt+b-jets) in the dilepton decay channel of the tt system at the center-of-mass energy sqrt(s)=13 TeV. The analysis is performed using data recorded by the CMS detector in the Run II period of the LHC during the years 2016, 2017, and 2018, corresponding to an integrated luminosity of 137.19 fb^{-1}. The measurement of the total production cross-section of the tt+b-jets process is the most precise to date and the value is found to be 4.91+-0.08(stat)+0.47-0.43(sys) pb. The absolute and normalized differential cross-sections are measured as a function of transverse momentum, the absolute value of the pseudo-rapidity, the invariant mass, and the distance of the additional b-jets. For the first time, the differential distributions of the sub-leading additional b-jet are measured at sqrt(s)=13 TeV. Additionally, two top quark definitions are used to define the additional b-jets at the truth level: a parton-based and a purely particle-based approach. The results are compared to the state-of-the-art Monte Carlo simulations of the tt+jets and tt+b-jets processes. Overall, all simulations are found to describe the measured normalized distributions similarly well. However, the absolute differential cross-sections are best described by the Powheg+Openloops+Pythia8 and the PowHel+Pythia8 (5FNS) tt+b-jets simulations.