Top Quark Physics at the LHC: top quark pair precision measurements and associated production with additional bosons

Abstract

The top quark is the heaviest known elementary particle and the only quark that decays before hadronisation, and thus gives direct access to its properties. With its large mass, it plays a crucial role for testing the predictions of the Standard Model (SM) and in the measurement of the Higgs boson properties. Moreover, various scenarios of physics beyond the SM expect the top quark to couple to new particles. The large data samples collected at the CMS and ATLAS experiments at the CERN LHC allow for the first time measuring rare SM processes, challenging the state-of-the-art theoretical predictions and extending the scope of searches for new physics phenomena. This thesis focuses on the study of top quark physics using proton-proton data from both the CMS and ATLAS experiments, collected at centre-of-mass energies of 7, 8 and 13 TeV. In particular, it includes precision measurements related to top quark pair production and the top quark mass, measurements of the associated production of top quark pairs with a Higgs boson, the first direct test of the coupling of the top quark Yukawa coupling, and top quark pair production in association with a photon, which provide the opportunity to directly probe the electroweak couplings of the top quark.

Das Top-Quark ist das schwerste bekannte Elementarteilchen und das einzige Quark, das vor der Hadronisierung zerfällt und somit einen direkten Zugang zu seinen Eigenschaften ermöglicht. Mit seiner großen Masse spielt es eine entscheidende Rolle beim Testen der Vorhersagen des Standardmodells (SM) und bei der Messung der Eigenschaften des Higgs-Bosons. Außerdem wird in verschiedenen Szenarien der Physik jenseits des SM erwartet, dass das Top-Quark an neue Teilchen koppelt. Die großen Datenmengen, die mit den CMS- und ATLAS-Experimenten am LHC am CERN gesammelt wurden, ermöglichen zum ersten Mal die Messung seltener SM-Prozesse, was die modernsten theoretischen Vorhersagen in Frage stellt und den Umfang der Suche nach neuen physikalischen Phänomenen erweitert. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung der Top-Quark-Physik anhand von Proton-Proton-Daten der CMS- und ATLAS-Experimente, die bei Schwerpunktenergien von 7, 8 und 13 TeV gesammelt wurden. Sie umfasst insbesondere Präzisionsmessungen im Zusammenhang mit der Top-Quark-Paarproduktion und der Top-Quark-Masse, Messungen der assoziierten Produktion von Top-Quark-Paaren mit einem Higgs-Boson, dem ersten direkten Test der Yukawa Kopplung des Top-Quarks, und der assoziierten Produktion mit einem Photon, die die Möglichkeit bieten, die elektroschwachen Kopplungen des Top-Quarks direkt zu untersuchen.