Search for electroweak production of the top quark in the electron+jets channel at D0
Recherche de la production électrofaible du quark top dans le canal électron+jets dans l'expérience D0 auprès du Tevatron
Abstract
The top quark, whose mass approches the electroweak symmetry breaking scale, is by far the heaviest known elementary particle. New physics is therefore expected to have its most important effect in the top sector. The Tevatron is, currently, the only collider able to produce the top quark. Among all possible production processes in the standard model, the top-antitop pair production via strong interaction, first observed in 1995, is the one with the largest cross section. The production via electroweak interaction (known as single top production), more difficult to extract from the background because of a lower cross section and of a lower signal to background ratio, has never been observed. In this thesis, we have searched for these processes by studying proton-antiproton collisions at sqrt(s)=1.96 TeV produced by the Tevatron and detected with the D0 detector. The experimental study of the top quark is very sensitive to the quality of the data taken by the calorimeter. This detector showed, at the beginning of the Run II, rather important noise problems. Having identified the origin of the noise, new treatments at the offline level were implemented and their effects studied. It has been shown that these treatments reduce very significantly the effect of the noise in the reconstruction of physical quantities without notable degradation of the signal. Within the standard model, the top quark decays into Wb with a branching ratio close to 100%. Leptonic decays of the W into electron + neutrino have been used to identify the W from the top decay. The main backgrounds to the single top signal (W+jets and QCD) are made essentially of light quark jets in the final state. Two b-tagging algorithms have therefore been applied in order to improve the signal to background ratio. No evidence for electroweak top quark production has been found. Upper limits at the 95% confidence level on the observed (expected) cross sections have be computed. They are found to be 14.3 (11.3) pb for the s-channel, 27.7 (21.5) pb for the t-channel and 28 (19.8) pb for the sum of the two channels.
Le quark top, dont la masse est de l'ordre de grandeur de l'échelle de brisure de la symétrie électrofaible, est de loin la particule élémentaire la plus lourde connue à ce jour. Cette propriété laisse penser qu'une éventuelle physique au-delà du modèle standard devrait se manifester d'abord dans le secteur du top. Le Tevatron est, actuellement, le seul accélérateur pouvant produire le quark top. Parmi tous les processus de production du top dans le modèle standard, ceux de production de paire top-antitop par interaction forte, observés pour la première fois en 1995, ont les sections efficaces les plus importantes. Les processus de production par interaction faible (encore appelés single top), plus difficile à mettre en évidence car de sections efficaces plus faibles et avec un rapport signal/bruit moins favorable, n'ont jamais été observés. Leur intérêt théorique est considérable puisqu'ils permettront de tester la théorie électrofaible dans le secteur où elle est le moins bien connue. Ces processus ont été recherchés dans cette thèse en étudiant les collisions proton-antiproton à sqrt(s)=1.96 TeV produites par le Tevatron, et enregistrées grâce au détecteur D0. L'étude expérimentale du quark top dépend de manière cruciale de la qualité des données recueillies dans le calorimètre. Ce dernier présentait, au début du Run II, des problèmes de bruit assez importants. Après avoir identifié l'origine du bruit, des traitements au niveau de la reconstruction hors-ligne ont été mis en œuvre et leurs effets étudiés. Il a ainsi été possible de réduire de manière importante l'impact du bruit sur la reconstruction des objets physiques sans dégradation notable de signal. Dans le cadre du modèle standard, le top se désintègre en Wb avec un rapport d'embranchement proche de 100%. La désintégration du W en électron + neutrino a été utilisé pour identifier le W issu de la désintégration du top. Les principaux bruits de fond au signal du single top (W+jets et QCD) contiennent essentiellement des jets de quarks légers dans l'état final. Deux algorithmes d'étiquetage des jets de quark b ont donc été utilisés pour augmenter le rapport signal/bruit. Aucun signal n'a été mis en évidence. Les limites observées (attendues) à 95% de niveau de confiance sur les sections efficaces de production sont de 14.3 (11.3) pb pour la voie s, 27.7 (21.5) pb pour la voie t et 28 (19.8) pb pour la somme des deux voies.
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