Measurement of W+W− production in Proton-Proton Collisions at $\sqrt{s} = 7 TeV with the ATLAS Detector at the LHC
Mesure de la production W+W− dans les collisions proton-proton à $\sqrt{s} = 7 TeV avec le détecteur ATLAS au LHC
Résumé
The ATLAS detector is a general purpose detector at the Large Hadron Collider (LHC) aimed at the discovery of new physics phenomena as well as improving our understanding of the high energy behavior of the Standard Model (SM), the well established theoretical framework which describes the elementary particles and their interactions except gravity. The LHC is the world's largest hadron collider designed to provide head on proton proton (pp) collisions at 14 TeV center-of-mass (c.m.) energy and 1034 cm−1s−1 peak luminosity. The LHC also runs in heavy ion mode with lead nuclei collisions at an energy of 574 TeV per nucleus (2.76 TeV per nucleon-pair) at the luminosity of 1027 cm−2s−1. Both LHC and ATLAS are performing excitingly well since 2009. In 2011, the ATLAS experiment collected a 4.7 fb−1 pp collisions data at 7 TeV and is expecting to record another 25 fb−1 of pp collisions at 8 TeV by the end of 2012. This thesis presents a measurement of the SM W+W− production cross section and the determination of the corresponding limits on anomalous triple gauge boson couplings (aTGCs), using the 2011 4.7 fb−1 pp collisions data at 7 TeV collected in 2011. The measurement allows for a stringent test of the non-Abelian SU(2) × U(1) SM electroweak sector and probes new physics that could manifest itself through aTGCs that may alter the observed production cross section or kinematic distributions. This measurement also provides a good understanding of the irreducible background in searches for the Higgs boson through the H ! W+W− decay channel. The measurement of the W+W− production is based on the analysis of the purely leptonic decay channels with the final states of e e , e μ and μ μ . The main background processes to the W+W− signal are Z+jets, W+jets, top quarks, and other diboson production, such as WZ, ZZ and W/Z+ The Z+jets, W+jets and top background processes are estimated using dedicated data-driven techniques while the other diboson background is estimated from Monte-Carlo (MC) simulation. A total of 1325 signal candidates are selected from data with an overall estimated background of 368.5±60.9. The corresponding measured total cross section is 51.9 ±2.0 (stat) ±3.9 (syst) ±0.9 (lumi) pb. Thisresult is compatible with the Standard Model Next-to-Leading Order (NLO) prediction of 44.7+2.1 −1.9 pb and has surpassed the precision of results from experiments at the Tevatron accelerator. The fiducial cross section for each channel is also measured and a first differential distribution of the leading lepton transverse momentum spectrum is extracted. Finally, the TGCs of the WWZ and WW vertices are studied by comparing the observed leading lepton transverse momentum spectrum of the W+W− signal to the theoretical predictions with aTGCs included. For a cutoff scale of = 6 TeV, 95% Confidence Limits are set on kZ and Z in the intervals [−0.061, 0.093] and [−0.062, 0.065], respectively for Equal Coupling Scenario. These are more stringent limits than those from experiments at the Tevatron accelerator and are competitive with results from experiments at the LEP accelerator. This thesis work has laid a solid foundation for further measurements of the W+W− production with the 25 fb−1 integrated luminosity 8 TeV recorded data expected by the end of 2012, which will further improve the precision and yield more stringent limits on the aTGCs.
Le détecteur ATLAS, auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC), est un détecteur polyvalent destiné à la découverte de nouvelle physique et de phénomènes nouveaux, tout en fournissant également une bonne occasion de comprendre le comportement à haute 'énergie du Modèle Standard (MS), cadre théorique bien établi qui d'écrit les particules élémentaires et leurs interactions sauf la gravité. Le LHC est le plus grand accélérateur de particule au monde conçu pour fournir des collisions frontales proton-proton 'a l'énergie encore jamais obtenue de 14 TeV dans le centre de masse pour une luminosité crée de 1034 cm−2s−1. Le LHC fonctionne aussi en mode ion lourd avec des collisions de noyaux de plomb d'une énergie de 574 TeV (92.0 J) par nucléon (2.76 TeV par paire de nucléon) et une luminosité de 1027 cm−2s−1. Le LHC et ATLAS fonctionnent superbement bien depuis 2008. En 2011, l'expérience ATLAS a recueillie 4.7 fb−1 de données de collision pp 'a 7 TeV et prévois d'enregistrer encore 25 fb−1 de donn'ees 'a 8 TeV d'ici la fin de l'année 2012. Cette thèse présente le mesure des sections efficaces de production W+W− MS et la détermination des couplages triples (TGCs) correspondants en utilisant ces 4.7 fb−1 de données 2011 de collision pp. Ces mesures permettent un test contraignant du secteur électrofaible non abélien SU(2) × U(1) du Modèle Standard; donnent l'opportunité de sonder la nouvelle physique 'a travers les couplages triples anormaux de bosons de jauge (aTGCs) qui seront observés dans la distribution des variables cinématiques des W+W− produits ou de leurs produits de d'désintégration finaux dans le secteur de haute énergie; et permettent d'avoir une bonne compréhension du bruit de fond irréductible dans la recherche du boson de Higgs dans le canal de d'désintégration H ! W+W−. Ces mesures de la production W+W− sont basées sur l'analyse des canaux de désintégration purement leptoniques avec les états finals e e , e μ and μ μ . Les principaux bruits de fond au signal W+W− sont Z+jets, W+jets, top et les autres productions dibosoniques que sont, WZ, ZZ et W/Z+ . Les bruits de fond Z+jets, W+jets et top sont estimés en utilisant des techniques dédiées et orientées données tandis que les bruits des autres canaux di-bosoniques sont estimés à partir de simulation Montevi Carlo. Un total de 1325 candidats sont sélectionnés avec un bruit de fond total estimé à 368.5 ± 60.9. La section efficace correspondante mesurée est 51.9 ±2.0 (stat) ±3.9 (syst) ±0.9 (lumi) pb. Ce résultat est compatible avec la prédiction Next-to-Leading Order (NLO) du Modèle Standard de 44.7+2.1 −1.9 pb et surpasse la précision des résultats des expériences auprès de l'accélérateur Tevatron. Les sections efficaces fiducies de chaque canal sont également mesurées et une première distribution différentielle en impulsion transverse du lepton dominant est extraite. Finalement, les TGCs des vertex WWZ etWW sont explorés en comparant le spectre en impulsion transverse observé dans le signal W+W− pour le lepton dominant aux prédictions théoriques incluant les couplages triples anormaux. Pour une coupure = 6 TeV, une limite de confiance à 95% est donnée sur kZ et Z dans les intervalles [−0.061, 0.093] et [−0.062, 0.065], respectivement (Equal Coupling Scenario). Ces limites sont plus strictes que celles données par les expériences auprès de l'accélérateur Tevatron et compétitives avec celles données par les expériences auprès de l'accélérateur LEP. Ce travail de thèse donne un base solide pour les mesures à venir de la production W+W− avec les 25 fb−1 de luminosité intégrée de données 'a 8 TeV prévue pour la fin 2012, qui conduiront vers une amélioration de la pr'ecision et des limites plus strictes sur les aTGCs.
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