Observation of top-quark pair production in heavy-ion collisions in the ATLAS experiment at the LHC

Abstract

Hard probes are expected to provide crucial input for nuclear parton distribution functions (nPDF), as well as to bring valuable insights into the quark-gluon plasma (QGP). In this thesis, measurements of heavy-ion collisions using top quarks in the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider are presented. Analysed data from proton-lead (p+Pb) and lead-lead (Pb+Pb) collisions were collected with the ATLAS detector during Run 2 (2015-2018) at a nucleon-nucleon centre-of-mass energy of √sₙₙ = 8.16 TeV and √sₙₙ = 5.02 TeV, respectively.

Electrons play an important role in the top-quark pair (tt̄) decay modes, specifically in the ℓ+jets and dilepton channels, which involve electrons in the final state. Electron performance is evaluated in p+Pb and Pb+Pb collisions, using electrons from the Z→e⁺e⁻ resonance decay. Electron scale-factor corrections are derived in p+Pb collisions and applied in the measurement of tt̄ production. Moreover, electron identification is optimised for Pb+Pb collisions and currently serves as the baseline approach in Run 3 (2022-2026).

The tt̄ process is studied in the ℓ+jets and dilepton channels in p+Pb collisions. The inclusive tt̄ cross-section is measured with the total relative uncertainty of 9%, leading to the most precise tt̄ cross-section measurement in heavy-ion collisions achieved so far. The signal significance exceeds five standard deviations separately in the ℓ+jets and dilepton modes, resulting in the first observation of tt̄ production in the dilepton channel in p+Pb collisions. The nuclear modification factor for the tt̄ process is also extracted for the first time. The results are in agreement with theoretical predictions for various state-of-the-art nPDF sets.

The production of tt̄ pairs is also analysed in the dilepton decay mode in Pb+Pb collisions. The inclusive tt̄ cross-section is extracted with the total relative uncertainty of 31%, providing the most precise tt̄ cross-section measurement in Pb+Pb collisions to date. The observed signal significance amounts to 5.0 standard deviations, establishing the first observation of the tt̄ process in Pb+Pb collisions. The obtained result is consistent with the measurement by the CMS Collaboration and theoretical predictions based on the latest nPDF sets.

The conducted studies open a new path for further research on heavy-ion collisions at ultra-relativistic energies. The precise measurement of tt̄ production in p+Pb collisions provides valuable input for constraining nPDFs in the high Bjorken-x region. The observation of the tt̄ process in Pb+Pb collisions marks the start of the heavy-ion program with top quarks, and in particular, opens a possibility of exploring the time structure of the QGP in the future.

Das Studium tiefinelastischer Streuung in Schwerionkollisionen ist nicht nur auf die Partondichteverteilung von Atomkernen (nPDF) sensitiv, sondern erlaubt auch das Studium des entstehenden Quark-Gluon Plasmas (QGP). In dieser Arbeit werden Top-Quarks aus Schwerionenkollisionen analysiert. Die zur Analyse verwendeten Daten wurden während der zweiten Datennahmeperiode am LHC (2015-2018) in Proton-Blei (p-Pb) und Blei-Blei (Pb-Pb) Kollisionen mithilfe des ATLAS Detektors aufgenommen. Die Nukleon-Nukleon Schwerpunktsenergie betrug √sₙₙ = 8.16 TeV bzw. √sₙₙ = 5.02 TeV.

Elektronen spielen eine wichtige Rolle in den Zerfallskanälen von Top-Quark-Paaren (tt̄), insbesondere in den ℓ+Jets und Dilepton Endzuständen. Die Rekonstruktionseffizienz der Elektronen in p-Pb und Pb-Pb Kollisionen wird mit Elektronen aus dem Zerfall Z→e⁺e⁻ bestimmt. Die aus p-Pb Kollisionen bestimmten Skalierungs-Faktoren werden als Korrekturen in der tt̄ Messung angewendet. Darüberhinaus ist die Identifikation von Elektronen in Pb-Pb Kollisionen optimiert worden. Der verbesserte Identifikations-Algorithmus dient derzeit als Grundlage für LHC-Run~3 (2022-2026) Analysen.

Der tt̄-Prozess wird in den ℓ+Jets und Dileptonischen Zerfallskanälen in p-Pb Kollisionen untersucht. Der inklusive tt̄ Wirkungsquerschnitt wird mit einer relativen Unsicherheit von 9% gemessen und ist damit die präziseste tt̄ Wirkungsquerschnittsmessung in Kollisionen von Schwerionen. Jeder der beiden Zerfallskanäle wurde mit einer Signifikanz von über fünf Standardabweichungen gemessen. Damit ist dies die erste Beobachtung von tt̄ Produktion im Dileptonischen Zerfallskanal in p-Pb Kollisionen überhaupt. Der Kernmodifikationsfaktor für den tt̄ Prozess wird ebenfalls zum ersten Mal bestimmt. Die Ergebnisse stimmen mit den theoretischen Vorhersagen verschiedener aktueller nPDF-Sätzen überein.

Des Weiteren wird die tt̄ Paarproduktion in Pb-Pb Kollisionen im Dileptonischen Zerfallskanal untersucht. Der inklusive Wirkungsquerschnitt wird mit einer relative Unsicherheit von 31% gemessen und stellt damit die präziseste tt̄ Messung in Pb-Pb Kollisionen dar. Die Signifikanz des tt̄ Signals beträgt 5.0 Standardabweichungen ist somit die erste Beobachtung des tt̄ Prozesses in Pb-Pb Kollisionen überhaupt. Dieses Ergebnis ist mit Resultaten der CMS Kollaboration sowie den anhand der neuesten nPDF Sätzen berechneten theoretischen Vorhersagen kompatibel.

Die durchgeführten Studien eröffnen einen neuen Weg für weitere Forschung zu Schwerionenkollisionen bei ultrarelativistischen Energien. Die präzise Messung der tt̄-Produktion in p-Pb-Kollisionen liefert wertvolle Beiträge zur genaueren Bestimmung von nPDFs im hohen Bjorken-x-Bereich. Die Beobachtung des tt̄-Prozesses in Pb-Pb Kollisionen stellt den Beginn der Top Quark Messungen in Schwerionenkollisionen dar, mit denen es in Zukunft möglich sein wird die Zeitstruktur des QGP zu untersuchen.

Twarde sondy są kluczowym źródłem informacji dla nuklearnych funkcji dystrybucji partonów (nPDF), a także dostarczają cenny wgląd w plazmę kwarkowo-gluonową (QGP). W niniejszej pracy przedstawiono pomiary zderzeń ciężkich jonów z wykorzystaniem kwarków szczytowych w eksperymencie ATLAS na Wielkim Zderzaczu Hadronów. Analizowane dane ze zderzeń proton-ołów (p+Pb) i ołów-ołów (Pb+Pb) zostały zebrane za pomocą detektora ATLAS podczas drugiej kampanii zbierania danych (2015-2018) przy energii środka masy na parę nukleonów wynoszącej odpowiednio √sₙₙ = 8.16 TeV i √sₙₙ = 5.02 TeV.

Elektrony odgrywają ważną rolę w rozpadach pary kwarków szczytowych (tt̄), zwłaszcza w kanałach ℓ+dżety i dwuleptonowych, które obejmują elektrony w stanie końcowym. Wydajność elektronów jest wyznaczona zarówno w zderzeniach p+Pb, jak i Pb+Pb, z wykorzystaniem elektronów pochodzących z rozpadu rezonansowego Z→e⁺e⁻. Współczynniki skalujące dla elektronów zostały wyznaczone w zderzeniach p+Pb i następnie zastosowane w pomiarze produkcji tt̄. Ponadto, identyfikacja elektronów została zoptymalizowana dla zderzeń Pb+Pb i stanowi obecnie podstawowe podejście w trzeciej kampanii zbierania danych (2022-2026).

Proces tt̄ został zbadany w kanałach ℓ+dżety i dwuleptonowych w zderzeniach p+Pb. Całkowity przekrój czynny tt̄ jest zmierzony z całkowitą względną niepewnością wynoszącą 9%, co prowadzi do najdokładniejszego dotychczas pomiaru przekroju czynnego tt̄ w zderzeniach ciężkich jonów. Istotność sygnału przekracza pięć odchyleń standardowych osobno w kanałach ℓ+dżety i dwuleptonowych, co skutkuje pierwszą obserwacją produkcji tt̄ w kanale dwuleptonowym w zderzeniach p+Pb. Współczynnik modyfikacji jądrowej dla procesu tt̄ został również wyznaczony po raz pierwszy. Wyniki są zgodne z przewidywaniami teoretycznymi dla różnych wiodących zestawów nPDF.

Produkcja par tt̄ jest również analizowana w dwuleptonowym kanale rozpadu w zderzeniach Pb+Pb. Całkowity przekrój czynny tt̄ został wyznaczony z całkowitą względną niepewnością wynoszącą 31%, co stanowi najdokładniejszy jak dotąd pomiar przekroju czynnego tt̄ w zderzeniach Pb+Pb. Zaobserwowana istotność sygnału wynosi 5.0 odchyleń standardowych, ustanawiając pierwszą obserwację procesu tt̄ w zderzeniach Pb+Pb. Otrzymany wynik jest zgodny z pomiarem współpracy CMS i przewidywaniami teoretycznymi opartymi na najnowszych zestawach nPDF.

Przeprowadzone badania otwierają nową ścieżkę dla dalszych badań nad zderzeniami ciężkich jonów przy ultrarelatywistycznych energiach. Dokładny pomiar produkcji tt̄ w zderzeniach p+Pb dostarcza cennych informacji do wyznaczenia nPDF w wysokim zakresie Bjorken-x. Obserwacja procesu tt̄ w zderzeniach Pb+Pb wyznacza początek programu ciężkich jonów z udziałem kwarków szczytowych, a w szczególności otwiera możliwość badania struktury czasowej QGP w przyszłości.