Measurements of inclusive and differential cross sections for vector boson productions with the ATLAS detector at the LHC
Mesures des sections efficaces inclusives et différentielles pour les productions de bosons vecteurs avec le détecteur ATLAS au LHC
Résumé
Precision measurements of the vector boson (W and Z bosons) properties are crucial for understanding the electroweak sector of the Standard Model. As the mediators of the weak force, such measurements provide an excellent probe of perturbative quantum chromodynamics (pQCD) and of the proton structure and may also reveal deviations from theoretical predictions, potentially indicating new physics beyond the Standard Model. For example, measuring W and Z-boson production across various energy regimes could uncover potential contributions from new particles or interactions that are observable at higher energies but undetectable at lower energies. In this thesis, two measurements of the W->lv and Z->ll (where l refers to electron or muon) production cross sections are presented using two datasets collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider (LHC).The measurement of the inclusive fiducial and total W and Z boson production cross sections and their ratios are performed on the data collected in 2022 in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of √s=13.6 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 29 fb-1. It is the first measurement of the production rate of W and Z bosons using LHC Run-3 data taken in 2022 at the unprecedented high energy. Moreover, the first measurement of the ratio of top-antitop quark pair to W boson production cross section using the same data sample is also performed in this study, which probes different parton densities (PDFs) within the proton. The measurements are compared with Standard-Model predictions calculated at next-to-next-to-leading-order (NNLO) in αs, next-to-next-to-leading logarithmic accuracy in QCD plus next-to-leading-order (NLO) electroweak accuracy. Good agreement is observed between measured cross sections and the predictions in W and Z boson cross sections whereas the ttbar over W boson cross section ratio is slightly lower than some of the predictions. The second analysis involved in this thesis is the measurement of the differential W->lv production cross section using the data collected in 2017 and 2018 in proton-proton collisions at center-of-mass energies of √s=5 and 13 TeV. These datasets are taken from special runs during Run-2 at the LHC, which are also called low pile-up runs characterized by a low number of interactions per bunch crossing, <μ>~2. The precise measurement of the W boson differential cross sections with low systematic uncertainties improves the knowledge of the proton structure and is used to place constraints on the PDFs by performing the Hessian reweighting on the existing PDF sets, resulting in significant constraints on the quark distribution functions.
Les mesures précises des propriétés des bosons vecteurs (bosons W et Z) sont cruciales pour comprendre le secteur électrofaible du Modèle Standard. En tant que médiateurs de la force faible, ces mesures fournissent une excellente exploration de la chromodynamique quantique perturbative (pQCD) et de la structure du proton, et peuvent également révéler des déviations par rapport aux prédictions théoriques, indiquant potentiellement une nouvelle physique au-delà du Modèle Standard. Par exemple, la mesure de la production des bosons W et Z à travers divers régimes d'énergie pourrait dévoiler des contributions potentielles de nouvelles particules ou interactions observables à des énergies plus élevées mais indétectables à des énergies plus basses.Dans cette thèse, deux mesures des sections efficaces de production W->lv et Z->ll (où l désigne un électron ou un muon) sont présentées en utilisant deux ensembles de données collectées avec le détecteur ATLAS au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC).La mesure des sections efficaces fiduciales et totales inclusives de production de bosons W et Z et de leurs rapports ont été effectuées sur les données collectées en 2022 lors de collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de √s=13,6 TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 29 fb-1. Il s'agit de la première mesure du taux de production des bosons W et Z utilisant les données de la Run-3 du LHC prises en 2022 à une énergie sans précédent. De plus, la première mesure du rapport des sections efficaces de production de paires quark-antiquark top par rapport aux bosons W utilisant le même échantillon de données est également effectuée dans cette étude, explorant différentes densités de partons dans le proton (PDFs). Les mesures sont comparées aux prédictions du Modèle Standard calculées à l'ordre supérieur NNLO en αs, avec une précision logarithmique NNLL en QCD plus une précision à l'ordre NLO en électrofaible. Un bon accord est observé entre les sections efficaces mesurées et les prédictions pour les sections efficaces des bosons W et Z, tandis que le rapport des sections efficaces ttbar/W est légèrement inférieur à certaines prédictions.La deuxième analyse incluse dans cette thèse est la mesure de la section efficace différentielle de la production W->lv en utilisant les données collectées en 2017 et 2018 lors de collisions proton-proton à des énergies dans le centre de masse de √s=5 et 13 TeV. Ces ensembles de données proviennent de collections spéciales durant la Run-2 au LHC, également appelées collisions à faible empilement caractérisées par un faible nombre d'interactions par croisement de paquets, <μ>~2. La mesure précise des sections efficaces différentielles du boson W avec de faibles incertitudes systématiques améliore la connaissance de la structure du proton et est utilisée pour imposer des contraintes sur les PDFs en effectuant la repondération hessienne sur les ensembles de PDFs existants, entraînant des contraintes significatives sur les fonctions de distribution des quarks.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|