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Zusammenfassung
  • Diese Arbeit präsentiert eine umfassende Studie zur Produktion eines einzelnen Top-Quarks in Verbindung mit einem WZ-Bosonpaar (tWZ). Die vorgestellte Messung resultiert in der ersten Beobachtung dieses Prozesses. Messungen seltener Prozesse sind entscheidend um unser Verständnis des Standardmodells (SM) zu verbessern und die Empfindlichkeit zu neuer Physik durch schleifen-induzierte Prozesse zu erhöhen. Sie stellen einen wesentlichen Teil des Physikprogramms des Large Hadron Collider (LHC) dar. In diesem Zusammenhang bietet der tWZ Prozess eine einzigartige Möglichkeit den Top-Quark-elektroschwachen Sektor des SM zu untersuchen. Dieser Prozess ermöglicht die Erfassung von Effekten neuer Physik, die im Rahmen einer effektiven Feldtheorie mit SM Teilchen (SMEFT) systematisch untersucht werden können. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Herausforderungen im Zusammenhang mit der Berechnung von SMEFT-Vorhersagen und nutzt diese, um Einschränkungen für die Wilson-Koeffizienten relevanter SMEFT-Operatoren zu messen. Es werden Projektionen für den High-Luminosity LHC bereitgestellt. Eine Messung des inklusiven Wirkungsquerschnitts für tWZ Produktion wird anhand von Proton-Proton-Kollisionen durchgeführt. Diese wurden mit dem CMS Experiment bei Schwerpunktsenergien von 13 und 13,6 TeV aufgezeichnet, was einer integrierten Luminosität von 200 fb−1 entspricht. Die Analyse befasst sich mit mehreren experimentellen Herausforderungen, beispielsweise der effizienten Identifizierung des tWZ Prozesses mit maschinellem Lernen und der präzisen Vorhersage des Untergrunds durch falsch identifizierte Leptonen. Der inklusive tWZ Wirkungsquerschnitt wird unabhängig bei 13 und 13,6 TeV gemessen, und ein gemeinsamer Fit an alle Daten ergibt eine beobachtete statistische Signifikanz von mehr als 5 Standardabweichungen und der ersten Beobachtung von tWZ Produktion.
Abstract
  • This thesis presents a comprehensive study of the single top quark production in association with a WZ boson pair (tWZ), culminating in the first observation of this process. Measurements of rare processes are crucial to improve our understanding of the Standard Model (SM) and improve the sensitivity to loop-induced new physics. These represent a crucial part of the Large Hadron Collider (LHC) physics program. In this context, the tWZ process provides a unique probe of the top quark-electroweak sector of the SM and offers sensitivity to possible effects of new physics, which can be systematically studied within the Standard Model Effective Field Theory (SMEFT) framework. This thesis addresses the challenges associated with the computation of SMEFT predictions and uses them to measure constraints on the Wilson coefficients of relevant SMEFT operators, also providing their projections for the High-Luminosity LHC. A measurement of the inclusive tWZ production cross section is performed using proton-proton collisions recorded by the CMS experiment at centre-of-mass energies of 13 and 13.6 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 200 fb−1. The analysis tackles several experimental challenges, for example an efficient identification of the tWZ process with machine learning, and a precise prediction of the background from misidentified leptons. The inclusive tWZ cross section is measured independently at 13 and 13.6 TeV, and a simultaneous fit yields an observed statistical significance exceeding 5 standard deviations, thus establishing the first observation of the tWZ process.
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