First differential measurements of tZq production and luminosity determination using Z boson rates at the LHC

Abstract

In this thesis, measurements are presented using proton-proton collision data at s = 13 TeV collected by the CMS experiment in the years 2016, 2017, and 2018, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1 . New results on single top quark production in association with a Z boson (tZq) are presented. The inclusive cross section is measured with unprecedented accuracy. Differential cross sections are presented for the first time, measuring 11 kinematic observables that are sensitive to modeling aspects and possible effects of new physics. Absolute and normalized distributions are obtained for experiment independent parton- and particle-level definitions. The spin asymmetry of the top quark, a measure of its polarization, is measured for the first time in the tZq process. The results are obtained utilizing binned maximum likelihood fits which directly account for backgrounds and systematic uncertainties. The results are compared to theory predictions with different modeling assumptions on the parton content of the proton. No significant deviations from standard model predictions are observed. Using the same data, the measurement of Z boson production is presented as a means to determine the integrated luminosity. It is demonstrated that the measurement of Z boson rates constitutes a precise and complementary method to monitor and transfer the luminosity between data sets and that the method leads to an improved measurement of the integrated luminosity.

In dieser Arbeit werden Messungen an Proton-Proton-Kollisionensdaten präsentiert. Die Daten wurden vom CMS-Experiment am LHC in den Jahren 2016, 2017 und 2018 bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV gesammelt und entsprechen einer integrierten Luminosität von 138 fb−1. Es werden neue Ergebnisse zur Produktion einzelner Top-Quarks in assoziation mit Z-Bosonen vorgestellt. Der totale Wirkungsquerschnitt wird mit einer noch nie dagewesenen Genauigkeit von etwa 11% gemessen. Zum ersten Mal werden differentielle Wirkungsquerschnitte in Abhängigkeit von elf kinematischen Größen gemessen, mit denen Modellierungsaspekte und mögliche Effekte der neuen Physik untersucht werden können. Dabei werden Detektor- und Hadronisierungseffekte korrigiert und absolute sowie normierte Verteilungen gezeigt. Die Spin-Asymmetrie des Top-Quarks, ein Maß für seine Polarisation und beeinflusst von möglicher neuer Physik, wird zum ersten Mal im tZq-Prozess gemessen. Die Ergebnisse werden mit Hilfe von gebinnten Maximum-Likelihood-Anpassungen erzielt, die Untergründe und systematische Unsicherheiten direkt berücksichtigen. Theoretische Vorhersagen unter verschiedenen Modellannahmen zur Partondichtefunktion des Protons werden mit den Resultaten verglichen. Keine signifikanten Abweichungen von den Vorhersagen des Standardmodells sind beobachtet. Unter Verwendung der gleichen Daten wird die Messung der Produktion von Z-Bosonen als Mittel zur Bestimmung der integrierten Luminosität vorgestellt. Die Rate von Z-Bosonen, die in zwei Myonen zerfallen, wird in kurzen Zeitintervallen von etwa 30 min gemessen. Messungen der Trigger-, Identifizierungs- und Rekonstruktions-Effizienz der beiden Myonen werden in situ an der gleichen Ereignisprobe durchgeführt. Restkorrekturen und systematische Unsicherheiten werden im Detail untersucht. Aus den bei niedriger Strahlintensität aufgezeichneten Daten wird eine absolute Skala für die Luminosität aus der Anzahl der Z-Bosonen abgeleitet. Es wird gezeigt, dass die Messung der Z-Bosonenraten eine präzise und ergänzende Methode zur Überwachung und Übertragung der Luminosität zwischen Datensätzen darstellt und dass die Methode zu einer verbesserten Messung der integrierten Luminosität führt.