Measurements of isolated-photon production inclusively and in association with jets at V8 = 13 TeV with the ATLAS detector
Author
Cueto Gómez, Ana RosarioEntity
UAM. Departamento de Física TeóricaDate
2018-09-21Subjects
Partículas (Física nuclear) - Tesis doctorales; FísicaNote
Tesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Física Teórica. Fecha de lectura: 21-09-2018Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.
Abstract
This document summarises most of my work during the years of my Ph.D. It covers ATLAS
Standard Model measurements with a single photon in the nal state, as well as the jet
energy scale in situ measurements using
+jet events and data quality inspection of the
liquid argon calorimeter.
The production of prompt photons in proton{proton collisions, pp !
+ X, provides
a testing ground for the theory of quantum chromodynamics (QCD) with a hard colourless
probe not a ected by hadronisation. A quantitative understanding of the features of
photon production is not only relevant for precision Standard Model measurements but
also important for Higgs production and searches for resonances predicted by models
beyond the Standard Model.
Measurements of prompt-photon production at the Large Hadron Collider (LHC)
provide a handle on the gluon density in the proton by means of the Compton scattering
and can be used to constrain the gluon density function inside the proton. The constraining
power of the measurements can be enhanced if they are combined with measurements at
di erent centre-of-mass energies. The requirement of jets in the nal state allows to
probe the dynamics of the hard-scattering process by measuring the correlations between
the photon and the jets. Measurements of the photon plus one jet cross section as a
function of the scattering angle in the centre-of-mass frame are sensitive to the spin of the
particle exchanged in the t-channel and thus provide insight on the dominant production
mechanism. When two jets are required, the production mechanisms can be studied in
detail by selecting di erent regions of the phase space in which their contributions are
enhanced according to whether the photon is the object with highest or lowest transverse
momentum among the three objects considered in the nal state.
All the measurements presented here refer to isolated photons. Isolation was achieved
by limiting the transverse energy allowed inside a cone of size R = 0:4 around the photon.
Jets were reconstructed using the anti-kt algorithm with jet radius R = 0:4.
The results of four di erent analyses at
p
s = 13 TeV are presented, namely the
measurement of inclusive isolated-photon cross sections, the ratio of inclusive isolatedphoton
cross sections at
p
s = 13 and 8 TeV, the measurement of the cross section for
isolated-photon plus jet production and the cross-section measurements for isolated-photon
plus two jets production.
Leading order (LO) Monte Carlo predictions of Pythia and Sherpa, which include
di erent treatments of the production mechanisms already at the matrix-element level,
were compared to the measurements. In addition, comparisons with the next-to-leading
order (NLO) xed-order calculations of JetPhox corrected for non-perturbative e ects
and Sherpa NLO predictions, which include matrix elements of
+1 and 2 jets computed
at NLO and
+3 and 4 jets computed at LO supplemented with parton shower, are
provided. In general, agreement was found between the measurements and QCD predictions
with di erent features in the predicted cross-section normalisation and shape that depend
on the analysis. Este documento resume la mayor parte de mi trabajo como doctorando, el cual cubre
medidas hechas del Modelo Est andar con el detector ATLAS con un fot on en el estado
nal as como medidas in situ de la escala de energ a de los jets usando eventos con un
fot on y un jet y la inspecci on de la calidad de los datos del calor metro de arg on l quido.
La producci on de fotones provenientes de la interacci on dura en colisiones prot on{
prot on, pp !
+ X, proporciona un marco de pruebas para examinar la teor a de
cromodin amica cu antica (QCD) con una part cula sin color que no est a afectada por
los efectos de la hadronizaci on. Un entendimiento cuantitativo de las caracter sticas de la
producci on de fotones no es solo relevante para medidas de precisi on del Modelo Est andar,
sino que tambi en son de gran importancia en estudios de las desintegraciones del bos on de
Higgs y b usquedas de resonancias predichas por modelos m as all a del Modelo Est andar.
Las medidas de producci on de fotones son sensibles a la densidad de gluones dentro
del prot on a trav es de la dispersi on de Compton y pueden ser usadas para restringir la
funci on de densidad de gluones dentro del prot on. El poder de restricci on de estas medidas
se puede reforzar cuando son combinadas con medidas del mismo proceso a diferentes
energ as del centro de masas. La presencia de jets en el estado nal permite sondear la
din amica de la dispersi on dura por medio de las medidas de las correlaciones angulares
entre el fot on y los jets. Si solo se requiere un jet en el estado nal, las medidas de
la secci on e caz en funci on del angulo de dispersi on en el centro de masa son sensibles
al spin de la part cula intercambiada en el canal t proporcionando mayor conocimiento
sobre el mecanismo de producci on dominante. Cuando se requieren dos jets, los distintos
mecanismos de producci on se pueden estudiar en detalle seleccionando distintas regiones
del espacio de fases en las cuales la contribuci on de uno de los mecanismos de producci on
se realza respecto al otro.
Todas las medidas que aqu se presentan se re eren a fotones aislados. El aislamiento
se consigui o limitando la cantidad de energ a transversa permitida en un cono de radio
R = 0:4 alrededor del fot on. Los jets fueron reconstruidos usando el algoritmo anti-kt
con un radio del jet de R = 0:4.
Los resultados de cuatro an alisis a una energ a en el centro de masas (
p
s) de 13 TeV
son descritos: las medidas de la secci on e caz inclusiva de producci on de fotones aislados,
el cociente de las secciones e caces de producci on de fotones aislados a
p
s = 13 y 8 TeV,
las medidas de la secci on e caz de producci on de un fot on aislado acompa~nado de un jet
y las medidas de la secci on e caz de producci on de un fot on aislado acompa~nado de dos
jets.
Las medidas han sido comparadas con las predicciones de los generadores Monte
Carlo de primer orden (LO) Pythia y Sherpa que incluyen un tratamiento diferente
para los distintos mecanismos de producci on en los elementos de matriz. Adem as, se
proporciona la comparaci on con los datos de las predicciones de QCD al siguiente orden
(NLO) de JetPhox a nivel part onico corregidas por efectos no perturbativos y de las
predicciones de Sherpa NLO que incluyen elementos de matriz calculados a NLO para
procesos de
+1 y 2 jets y a LO para procesos de
+3 y 4 jets complementados con
cascada de partones. En general, se ha observado un acuerdo adecuado entre las medidas
y las predicciones de QCD con diferentes caracter sticas en la normalizaci on y forma de la
secci on e caz que dependen de cada medida individual
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