Studio di metodi di ricostruzione di top molto energetici all'esperimento atlas

L’acceleratore di protoni e ioni pesanti LHC costruito presso i laboratori del CERN di Ginevra permette sviluppi straordinari nel campo della fisica delle particelle alle alte energie. Tra le diverse linee di ricerca attualmente operative lo studio del quark top riveste un ruolo di particolare rilevanza. Infatti, l’elevata energia accessibile alla macchina rende possibile la raccolta di campioni di elevata statistica necessari per uno studio dettagliato delle proprietà del quark top, la particella più pesante fino ad oggi nota. In particolare in questa tesi viene studiato, e confrontato con l'analisi standard, un nuovo metodo, chiamato “template overlap method”, per la selezione di quark top prodotti ad alta energia. L'obiettivo è valutare se questo nuovo metodo permetterà una migliore precisione nella misura della sezione d'urto differenziale di produzione di coppie tt nelle prossime prese dati dove l'energia nel centro di massa raggiungerà i 13 TeV. L'analisi, per ora, è stata svolta su dati montecarlo simulati per l'esperimento ATLAS ad una energia del centro di massa di 8 TeV. I risultati ottenuti sono incoraggianti perchè mostrano un'alta efficienza di selezione all'aumentare dell'energia dei prodotti di decadimento del top.

Misura della sezione d'urto differenziale di produzione top-antitop con l'esperimento atlas ad lhc

Il documento contiene un'analisi sull'accordo fra le misure delle sezioni d’urto differenziali del sistema top-antitop registrate nel 2011 dall’esperimento ATLAS a un'energia del centro di massa di 7 TeV e le predizioni teoriche.

Study of a new method for high energy top tagging at the ATLAS experiment

Since its discovery, top quark has represented one of the most investigated field in particle physics. The aim of this thesis is the reconstruction of hadronic top with high transverse momentum (boosted) with the Template Overlap Method (TOM). Because of the high energy, the decay products of boosted tops are partially or totally overlapped and thus they are contained in a single large radius jet (fat-jet). TOM compares the internal energy distributions of the candidate fat-jet to a sample of tops obtained by a MC simulation (template). The algorithm is based on the definition of an overlap function, which quantifies the level of agreement between the fat-jet and the template, allowing an efficient discrimination of signal from the background contributions. A working point has been decided in order to obtain a signal efficiency close to 90% and a corresponding background rejection at 70%. TOM performances have been tested on MC samples in the muon channel and compared with the previous methods present in literature. All the methods will be merged in a multivariate analysis to give a global top tagging which will be included in ttbar production differential cross section performed on the data acquired in 2012 at sqrt(s)=8 TeV in high phase space region, where new physics processes could be possible. Due to its peculiarity to increase the pT, the Template Overlap Method will play a crucial role in the next data taking at sqrt(s)=13 TeV, where the almost totality of the tops will be produced at high energy, making the standard reconstruction methods inefficient.

Multivariate analysis methods in the search for the Higgs boson produced in association with top pairs at the ATLAS experiment at LHC.

The Large Hadron Collider, located at the CERN laboratories in Geneva, is the largest particle accelerator in the world. One of the main research fields at LHC is the study of the Higgs boson, the latest particle discovered at the ATLAS and CMS experiments. Due to the small production cross section for the Higgs boson, only a substantial statistics can offer the chance to study this particle properties. In order to perform these searches it is desirable to avoid the contamination of the signal signature by the number and variety of the background processes produced in pp collisions at LHC. Much account assumes the study of multivariate methods which, compared to the standard cut-based analysis, can enhance the signal selection of a Higgs boson produced in association with a top quark pair through a dileptonic final state (ttH channel). The statistics collected up to 2012 is not sufficient to supply a significant number of ttH events; however, the methods applied in this thesis will provide a powerful tool for the increasing statistics that will be collected during the next LHC data taking.

Evaluation of a cloud infrastructure for the CMS distributed data analysis in the top quark sector at the LHC

Nella fisica delle particelle, onde poter effettuare analisi dati, è necessario disporre di una grande capacità di calcolo e di storage. LHC Computing Grid è una infrastruttura di calcolo su scala globale e al tempo stesso un insieme di servizi, sviluppati da una grande comunità di fisici e informatici, distribuita in centri di calcolo sparsi in tutto il mondo. Questa infrastruttura ha dimostrato il suo valore per quanto riguarda l'analisi dei dati raccolti durante il Run-1 di LHC, svolgendo un ruolo fondamentale nella scoperta del bosone di Higgs. Oggi il Cloud computing sta emergendo come un nuovo paradigma di calcolo per accedere a grandi quantità di risorse condivise da numerose comunità scientifiche. Date le specifiche tecniche necessarie per il Run-2 (e successivi) di LHC, la comunità scientifica è interessata a contribuire allo sviluppo di tecnologie Cloud e verificare se queste possano fornire un approccio complementare, oppure anche costituire una valida alternativa, alle soluzioni tecnologiche esistenti. Lo scopo di questa tesi è di testare un'infrastruttura Cloud e confrontare le sue prestazioni alla LHC Computing Grid. Il Capitolo 1 contiene un resoconto generale del Modello Standard. Nel Capitolo 2 si descrive l'acceleratore LHC e gli esperimenti che operano a tale acceleratore, con particolare attenzione all’esperimento CMS. Nel Capitolo 3 viene trattato il Computing nella fisica delle alte energie e vengono esaminati i paradigmi Grid e Cloud. Il Capitolo 4, ultimo del presente elaborato, riporta i risultati del mio lavoro inerente l'analisi comparata delle prestazioni di Grid e Cloud.

Performance studies of the CMS distributed analysis system in the associated Higgs boson production with top quarks

L'obiettivo di questa tesi è studiare la fattibilità dello studio della produzione associata ttH del bosone di Higgs con due quark top nell'esperimento CMS, e valutare le funzionalità e le caratteristiche della prossima generazione di toolkit per l'analisi distribuita a CMS (CRAB versione 3) per effettuare tale analisi. Nel settore della fisica del quark top, la produzione ttH è particolarmente interessante, soprattutto perchè rappresenta l'unica opportunità di studiare direttamente il vertice t-H senza dover fare assunzioni riguardanti possibili contributi dalla fisica oltre il Modello Standard. La preparazione per questa analisi è cruciale in questo momento, prima dell'inizio del Run-2 dell'LHC nel 2015. Per essere preparati a tale studio, le implicazioni tecniche di effettuare un'analisi completa in un ambito di calcolo distribuito come la Grid non dovrebbero essere sottovalutate. Per questo motivo, vengono presentati e discussi un'analisi dello stesso strumento CRAB3 (disponibile adesso in versione di pre-produzione) e un confronto diretto di prestazioni con CRAB2. Saranno raccolti e documentati inoltre suggerimenti e consigli per un team di analisi che sarà eventualmente coinvolto in questo studio. Nel Capitolo 1 è introdotta la fisica delle alte energie a LHC nell'esperimento CMS. Il Capitolo 2 discute il modello di calcolo di CMS e il sistema di analisi distribuita della Grid. Nel Capitolo 3 viene brevemente presentata la fisica del quark top e del bosone di Higgs. Il Capitolo 4 è dedicato alla preparazione dell'analisi dal punto di vista degli strumenti della Grid (CRAB3 vs CRAB2). Nel capitolo 5 è presentato e discusso uno studio di fattibilità per un'analisi del canale ttH in termini di efficienza di selezione.

Measurement of the top quark mass in multijet events with the CMS experiment at LHC

La massa del quark top è qui misurata per mezzo dei dati raccolti dall’esperimento CMS in collisioni protone-protone ad LHC, con energia nel centro di massa pari ad 8 TeV. Il campione di dati raccolto corrisponde ad una luminosità integrata pari a 18.2 /fb. La misura è effettuata su eventi con un numero di jet almeno pari a 6, di cui almeno due b-taggati (ovvero identificati come prodotto dell’adronizzazione di due quark bottom). Il valore di massa trovato è di (173.95 +- 0.43 (stat)) GeV/c2, in accordo con la media mondiale. The top quark mass is here measured by using the data that have been collected with the CMS experiment in proton-proton collisions at the LHC, at a center-of-mass energy of 8 TeV. The dataset which was used, corresponds to an integrated luminosiy of 18.2 /fb. The mass measurement is carried out by using events characterized by six or more jets, two of which identified as being originated by the hadronization of bottom quarks. The result of the measurement of the top quark mass performed here is: (173.95 +- 0.43 (stat)) GeV/c2, in accordance with the recently published world average.

Sensitivity analysis of QRA to the occurrence frequencies of top-events: a case study

L’obiettivo del lavoro di tesi è stato quello di valutare la sensitività dell’analisi quantitativa del rischio (QRA, Quantitative Risk Analysis) alla frequenza di accadimento degli scenari di rilascio delle sostanze pericolose ovvero dei top-events. L’analisi di rischio è stata condotta applicando, ad uno stabilimento a rischio di incidente rilevante della Catalogna, i passaggi procedurali previsti dall’istruzione 14/2008 SIE vigente in quella regione. L’applicazione di questa procedura ha permesso di ottenere le curve isorischio, che collegano i punti attorno allo stabilimento aventi lo stesso valore del rischio locale. Le frequenze base dei top-events sono state prese innanzitutto dalla linea guida BEVI, e successivamente ai fini dell’analisi di sensitività, sono stati considerati sia i valori forniti da altre 3 autorevoli linee guida sia i valori ottenuti considerando incrementi delle frequenze base del 20%, 30%, 50%, 70%, 200%, 300%, 500%, 700%, 1000%, 2000%, 3000%, 4000%, 5000%. L’analisi delle conseguenze è stata condotta tramite i software EFFECTS ed ALOHA, mentre ai fini della ricomposizione del rischio è stato utilizzato il codice RISKCURVES. La sensitività alle frequenze dei top-events è stata valutata in termini di variazione del diametro massimo delle curve isorischio, con particolare attenzione a quella corrispondente a 10-6 ev/anno, che rappresenta il limite di accettabilità del rischio per la pianificazione territoriale nell’intorno dello stabilimento. E’ stato così dimostrato che l’estensione delle curve isorischio dipende in maniera molto forte dalla frequenza dei top-events e che l’utilizzo di dati di frequenza provenienti da linee guida diverse porta a curve isorischio di dimensioni molto differenti. E’ dunque confermato che la scelta delle frequenze degli scenari incidentali rappresenta, nella conduzione dell’analisi di rischio, un passaggio delicato e cruciale.

Multivariate analysis to discriminate top quark pair production channels at LHC

Il quark top è una delle particelle fondamentali del Modello Standard, ed è osservato a LHC nelle collisioni a più elevata energia. In particolare, la coppia top-antitop (tt̄) è prodotta tramite interazione forte da eventi gluone-gluone (gg) oppure collisioni di quark e antiquark (qq̄). I diversi meccanismi di produzione portano ad avere coppie con proprietà diverse: un esempio è lo stato di spin di tt̄, che vicino alla soglia di produzione è maggiormente correlato nel caso di un evento gg. Uno studio che voglia misurare l’entità di tali correlazioni risulta quindi essere significativamente facilitato da un metodo di discriminazione delle coppie risultanti sulla base del loro canale di produzione. Il lavoro qui presentato ha quindi lo scopo di ottenere uno strumento per effettuare tale differenziazione, attraverso l’uso di tecniche di analisi multivariata. Tali metodi sono spesso applicati per separare un segnale da un fondo che ostacola l’analisi, in questo caso rispettivamente gli eventi gg e qq̄. Si dice che si ha a che fare con un problema di classificazione. Si è quindi studiata la prestazione di diversi algoritmi di analisi, prendendo in esame le distribuzioni di numerose variabili associate al processo di produzione di coppie tt̄. Si è poi selezionato il migliore in base all’efficienza di riconoscimento degli eventi di segnale e alla reiezione degli eventi di fondo. Per questo elaborato l’algoritmo più performante è il Boosted Decision Trees, che permette di ottenere da un campione con purezza iniziale 0.81 una purezza finale di 0.92, al costo di un’efficienza ridotta a 0.74.

Tecniche di apprendimento automatico per la ricerca di eventi top-top con l’esperimento ATLAS a LHC

Il Modello Standard è attualmente la teoria che meglio spiega il comportamento della fisica subnucleare, includendo la definizione delle particelle e di tre delle quattro forze fondamentali presenti in natura; risulta però una teoria incompleta sulle cui integrazioni i fisici stanno lavorando in diverse direzioni: uno degli approcci più promettenti nella ricerca di nuova fisica risulta essere quello delle teorie di campo efficaci. Il vertice di interazione del processo di produzione di coppie di quark top dello stesso segno a partire da protoni è fortemente soppresso nel Modello Standard e deve quindi essere interpretato con le teorie di campo efficaci. Il presente elaborato si concentra su questo nuovo approccio per la ricerca di quark top same-sign e si focalizza sull’utilizzo di una rete neurale per discriminare il segnale dal fondo. L’obiettivo è capire se le prestazioni di quest’ultima cambino quando le vengono fornite in ingresso variabili di diversi livelli di ricostruzione. Utilizzando una rete neurale ottimizzata per la discriminazione del segnale dal fondo, le si sono presentati tre set di variabili per l’allenamento: uno di alto livello, il secondo strettamente di basso livello, il terzo copia del secondo con aggiunta delle due variabili principali di b-tagging. Si è dimostrato che la performance della rete in termini di classificazione segnale-fondo rimane pressoché inalterata: la curva ROC presenta aree sottostanti le curve pressoché identiche. Si è notato inoltre che nel caso del set di variabili di basso livello, la rete neurale classifica come input più importanti gli angoli azimutali dei leptoni nonostante questi abbiano distribuzioni identiche tra segnale e fondo: ciò avviene in quanto la rete neurale è in grado di sfruttare le correlazioni tra le variabili come caratteristica discriminante. Questo studio preliminare pone le basi per l’ottimizzazione di un approccio multivariato nella ricerca di eventi con due top dello stesso segno prodotti a LHC.

Phenomenology of top-philic axion-like particles

Axion like particles (ALPs), i.e., pseudo-scalar bosons interacting via derivative couplings, are a generic feature of many new physics scenarios, including those addressing the strong-CP problem and/or the existence of dark matter. Their phenomenology is very rich, with a wide range of scales and interactions being directly probed at very different experiments, from accelerators to observatories. In this thesis, we explore the possibility that ALPs might indirectly affect precision collider observables. In particular, we consider an ALPs that preferably couple to the top quark (top-philic) and we study new-physics 1- loop corrections to processes involving top quarks in the final state. Our study stems from the simple, yet non-trivial observation that 1-loop corrections are infrared finite even in the case of negligible ALP masses and therefore can be considered on their own. We compute the 1-loop corrections of new physics analytically in key cases involving top quark pair production and then implement and validate a fully general next-to-leading-order model in MadGraph5_aMC@NLO that allows to compute virtual effects for any process of interest. A detailed study of the expected sensitivity to virtual ALPs in ttbar production at the LHC is performed.