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Theses Year : 2015

Measurement of the WW production cross-section in Proton-Proton Collisions at √s = 8 TeV with the ATLAS Detector

Mesure de la section efficace de production WW dans les collisions proton-proton a √s = 8 TeV avec le détecteur ATLAS

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Abstract

The Standard Model (SM), as the fundamental theory for particle physics, provides an description for fundamental interactions: the eletro-magnetic, weak and strong forces. So far it has been tested by various world-wide experiments. There are questions yet to be answered for the completeness of this theory. We've built up high energy physics experiments to create the particle interactions up to high energy scales. The data from those experiments will offer us chance for testing our understanding of the SM and searching for physics beyong the SM. At the European Organization for Nuclear Research (CERN), the physicists and engineers from all over the world are devoted to discover the fundamental element in the universe. The world's largest and most sophisticated experimental instruments are built up, which accelerate particles to the energy of 3.5-4 \TeV and let them collide at the center of detectors. In this way the physicists are able to find tracks about the way particles interact, and further inspired towards the laws of the nature. A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS), as one of the four main detectors of Large Hadron Collider (LHC) at CERN, aims at a wide range of physics, including the precision measurement of the SM processes, the search for the Higgs bosons, extra dimensions, dark matter and so on. It has the similar purpose as the CMS experiment at the LHC. In ATLAS, di-boson production is one of the most important electro-weak processes. Among the massive vector boson pair production processes, ${W^+W^-}$ has larger cross section compared to ${WZ}$ and ${ZZ}$ production. The electro-weak sector of the SM, as well as the strong interactions, can be tested through precision measurements of the ${W^+W^-}$ production cross section. A measurement of $W^+W^-$ production cross section is performed with a data sample collected in proton-proton collisions at center-of-mass energy of 8 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 20.3 fb$^{-1}.$ The $W^{+}W^{-}$ events are selected with 3 final states: $ee$, $e\mu$, and $\mu\mu$. In order to suppress the background contamination, mainly from the Drell-Yan and $t\bar{t}$ processes, we cut on missing transverse energy and select events with 0 selected jet. The major backgrounds, mainly including the $W$+jets, top, $Z$+jets, are estimated by data-driven technique. These background estimations are cross-checked by independent methods. The measured cross section is \WZtotXsec$^{+\WZtotXsecStatErrUp}_{\WZtotXsecStatErrDw}$(stat)$^{+\WZtotXsecSysErrUp}_{\WZtotXsecSysErrDw}$(syst)$^{+\WZtotXsecLumiErrUp}_{\WZtotXsecLumiErrDw}$(lumi) pb, which is consistent with SM Next-Leading Order prediction of $63.2^{+2.0}_{-1.8}$ pb. The normalized differential $W^+W^-$ cross section $\frac{1}{\sigma}\frac{d\sigma}{dX}$ is determined as a function of 6 kinematic variables. The unfolding distribution for these variables are given. The possible deviation from the SM can be parameterized with operators of higher order dimensions. The operators of lowest dimension introduce anomalous triple gauge couplings (ATGC). The distribution of leading lepton \pt is used to constrain the anomalous coupling constants. The measurement of the coupling constants provides an indirect search for new physics at mass scales not accessible by the LHC. In our study, no evidence for anomalous $WWZ$ and $WW\gamma$ triple gauge-boson couplings is found, and limits on their magnitudes are set.
Le Modèle Standard (MS), théorie fondamentale de la physique des particules, fournit une description de plusieurs interactions fondamentales, les forces électromagnétique, forte et faible. Cette théorie a été testée par nombre d'expériences de par le monde. Il subsiste toutefois certaines questions non résolues par le Modèle Standard, témoignant de la nécessité de disposer d'une théorie plus complète. Les expériences de physique des hautes énergies ont été conçues pour étudier les interactions entre particules à une échelle d'énergie de plus en plus élevée. Les données obtenues par ces expériences offrent la possibilité de tester plus profondément le Modèle Standard, ainsi que de chercher des signes de physique au-delà des prédictions du Modèle Standard. Au Centre Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN), des physiciens et ingénieurs du monde entier cherchent à comprendre les lois fondamentales régissant l'Univers. C'est au CERN qu'ont été construits les instruments expérimentaux les plus imposants et les plus sophistiqués, accélérant des faisceaux de particules à une énergie de 3.5-4 TeV pour les faire entrer en collision au centre des détecteurs. De cette manière, les physiciens sont en mesure d'obtenir des indications quant à la manière dont les particules interagissent, dans l'espoir d'appréhender la fondation des lois de la nature. L'expérience ATLAS (A Toroidal Lhc ApparatuS), un des quatre principaux détecteurs installés auprès du LHC (Large Hadron Collider) au CERN, couvre un large spectre de mesures physiques, incluant des mesures de précision pour les processus prévus par le Modèle Standard, la recherche du boson de Higgs, ou encore de nouvelles dimensions, de Matière Noire\ldots L'expérience CMS joue un rôle similaire. Dans le programme d'ATLAS, la production de paires de bosons est l'un des processus électrofaibles les plus intéressants à étudier. Parmi les différents modes de production de paires de bosons vecteurs massifs, la section efficace ${pp\to W^+W^-}$ est la plus importante, comparée aux processus ${WZ}$ ou ${ZZ}$. Le secteur électrofaible du Modèle Standard, ainsi que les interaction fortes, peuvent être testés par la mesure précise de la section efficace de production de paires ${W^+W^-}$. Ce document présente une mesure de cette section efficace à partir d'un lot de collisions proton-proton, à une énergie au centre de masse de 8 TeV, et correspondant à une luminosité intégrée de 20.3 fb$^{-1}.$ Les événements $W^{+}W^{-}$ sont sélectionnés à partir de trois états finaux : $ee$, $e\mu$, and $\mu\mu$. Afin de réduire le bruit de fond, constitué principalement de processus Drell-Yan ou de paires $t\bar{t}$, une coupure est appliquée sur l'énergie transverse manquante, et les événements contenant des jets hadroniques satisfaisant certains critères de sélection sont rejetés. Les principaux bruits de fonds résiduels, essentiellement des processus $W$+jets, top, $Z$+jets, sont estimés à l'aide de modèles établis à partir des données observées (méthodes \textit{data driven}). Ces méthodes d'estimation sont validées en les comparant à d'autres méthodes indépendantes. La section efficace mesurée est \WZtotXsec$^{+\WZtotXsecStatErrUp}_{\WZtotXsecStatErrDw}$(stat) $^{+\WZtotXsecSysErrUp}_{\WZtotXsecSysErrDw}$(syst)$^{+\WZtotXsecLumiErrUp}_{\WZtotXsecLumiErrDw}$(lumi) pb, en accord avec la prédiction NLO du Modèle Standard $63.2^{+2.0}_{-1.8}$ pb. Les sections efficaces différentielles normalisées $\frac{1}{\sigma}\frac{d\sigma}{dX}$ sont obtenues pour six différentes variables cinématiques. Les distributions de ces variables, déconvoluées de l'efficacité de reconstruction du détecteur, sont présentées. Les éventuelles déviations de la section efficace mesurée par rapport à la prédiction du Modèle Standard peuvent être paramétrées par des opérateurs de dimension supérieures. Les opérateurs de dimension la plus basse induisent des couplages tri-bosons de jauge anomaux (\tetxtit{ATGC}). La distribution de l'impulsion transverse maximale parmi les deux leptons de l'événement est utilisée pour contraindre ces couplages anomaux. Ainsi, les mesures des constantes de couplage permettent une recherche indirecte de physique au-delà du Modèle Standard, à une échelle de masse non accessible par le LHC. L'étude présentée ici n'a pas mis en évidence de tels couplages anomaux $WWZ$ ou $WW\gamma$, permettant l'établissement de limites supérieures sur la magnitude de ces couplages.
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Dates and versions

tel-01233634 , version 1 (25-11-2015)

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  • HAL Id : tel-01233634 , version 1

Cite

J. Gao. Measurement of the WW production cross-section in Proton-Proton Collisions at √s = 8 TeV with the ATLAS Detector. High Energy Physics - Experiment [hep-ex]. Aix Marseille Université, 2015. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01233634⟩
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