Search for tZ production via Flavour Changing Neutral Currents with the ATLAS experiment at the LHC

Abstract

The subject of the present dissertation is the search for tZ event production by Flavour Changing Neutral Currents (FCNC) through the analysis of data collected by the ATLAS detector of the Large Hadron Collider located in CERN. The FCNC processes are very rare in the Standard Model of Particle Physics since they are not allowed at tree-level and extremely suppressed at loop-level. However, this processes have a higher probability to occur in several models beyond the Standard Model. In this thesis, a search for the production of a top quark and a boson Z via FCNC in a trileptonic topology is discussed. The final state of the tZ production consists in a pair of leptons with opposite sign and same flavour having a mass compatible with the decay of a Z boson, a charged lepton and a neutral lepton classified as coming from the decay of a top quark and finally a jet coming from a bottom quark (b-tagged jet). The analyzed data coming from proton-proton collisions at the centre-of-mass energy of √s = 13 TeV was collected in the data-taking period between July and November of 2015 corresponding to an integrated luminosity of 3.21 fb−1. A complementary study of possible discriminant variables is presented. Through this study, expected upper limits at 95% confidence level on the cross-section of tZ production via FCNC were obtained. An interpretation of these limits in terms of branching ratios for t → qZ and the tZq coupling is also presented.

A presente dissertação tem como objectivo a pesquisa da produção de eventos tZ através de processos de mudança de sabor por correntes neutras recorrendo a uma análise de dados colectados pelo detector ATLAS do Large Hadron Collider localizado no CERN. Os processos de mudança de sabor por correntes neutras são muito raros no Modelo Padrão da Física de Partículas, sendo ausentes a tree-level e extremamente suprimidos a loop-level. No entanto, estes processos têm uma maior probabilidade de ocorrer em vários modelos para além do Modelo Padrão. Neste trabalho é estudada a produção de um quark top e de um bosão Z através de processos de mudança de sabor por correntes neutras numa topologia trileptónica. O estado final desta pesquisa consiste num par de leptões de carga oposta e sabor idêntico com uma massa compatível com o decaimento de um bosão Z, um leptão carregado em conjunto com um leptão neutro provenientes do decaimento de um quark top e finalmente um jacto proveniente de um quark bottom (b-tagged jet). Os dados analisados, relativos a colisões protão-protão a uma energia de centro de massa de √s = 13 TeV, foram obtidos no período de Julho a Novembro de 2015 correspondendo a uma luminosidade integrada de 3.21 fb−1. Um estudo complementar de possíveis variáveis discriminantes é apresentado. Através deste estudo, são obtidos limites superiores esperados com um nível de confiança de 95% na secção eficaz de produção deste processo. Estes limites são interpretados em termos do acoplamento tZq e da fracção de decaimento t → qZ.