Measurement of rare top quark decays in ATLAS/LHC

Abstract

In this thesis, a search for the flavour-changing neutral-current decay t → qZ is presented. Data collected by the ATLAS detector during 2012 from proton–proton collisions at the Large Hadron Collider (LHC) with a centre-of-mass energy of sqrt(s) = 8 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 20.3 fb^(-1), are analysed. Top-quark pair-production events with one top quark decaying through the t → qZ (q = u, c) channel and the other through the dominant Standard Model mode t → bW are considered as signal. Only the decays of the Z boson to charged leptons and leptonic W boson decays are used. No evidence for a signal is found and an observed (expected) upper limit on the t → qZ branching ratio of 6.7×10^(-4) (7.7×10^(-4)) is set at a 95% confidence level (CL). The expected sensitivity for the t → qZ channel at the high-luminosity phase of the LHC is also derived, along with the expected sensitivity for the t → qγ channel. The expected limits at 95% CL for both channels are in the range between 10^(-5) and 10^(-4) for an integrated luminosity of 3 ab^(-1). The study of the stability and linearity of the ATLAS hadronic calorimeter (TileCal) photomultipliers is also presented. The methods described aim to monitor the performance of the photomultipliers and identify possible problematic channels.

Nesta tese é apresentada uma análise dedicada à pesquisa do decaimento do quark top via correntes neutras com troca de sabor, t → qZ. Os dados analisados foram recolhidos pelo detetor ATLAS durante 2012 em colisões protão–protão no Grande Colisor de Hadrões (LHC), a uma energia de centro de massa de sqrt(s) = 8 TeV e que correspondem a uma luminosidade integrada de 20.3 fb^(-1). Acontecimentos produzidos com pares de quarks top, no qual um quark top decai no canal t→qZ (q=u,c) e o outro pelo decaimento dominante de acordo com o Modelo Padrão t → bW, são considerados como sinal. Apenas são considerados os decaimentos do bosão Z para leptões carregados e os decaimentos leptónicos do bosão W . Não tendo sido encontrada nenhuma evidência da existência do sinal, foi calculado um limite superior observado (esperado) para a fração do decaimento t → qZ de 6.7 × 10^(-4) (7.7 × 10^(-4)) com um nível de confiança de 95%. A sensibilidade esperada para o canal t → qZ é também derivada para a fase de alta luminosidade do LHC, juntamente com a sensibilidade esperada para o canal t → qγ. Os limites esperados com um nível de confiança de 95% para ambos os canais são da ordem de 10^(-5) e 10^(-4) para uma luminosidade integrada de 3 ab^(-1). Também é apresentado o estudo da estabilidade e linearidade dos fotomultiplicadores do calorímetro hadrónico, TileCal, do detetor ATLAS. Os métodos descritos visam a monitorização do desempenho dos fotomultiplicadores e a identificação de possíveis canais problemáticos.