Top-antitop resonance searches beyond 1 TeV

We perform a general parton level analysis for the search of heavy resonant states in the production of top-antitop pairs at the LHC with an integrated luminosity of 30 fb^-1. We assume the existence of resonances that only couple to quarks and propose kinematic cuts in order to increase the amount of events produced through quark-annihilation. We study the interplay between different variables and their impact on the purity of the selected sample. We make focus on the longitudinal ($\beta$) and transverse ($p_T$) momentum of the top-antitop pair, and the scattering angle ($\theta$) in the center of mass reference frame. We observe that $\beta$ is replaced by $\theta$ as a suitable discriminating variable of quark-annihilation processes for invariant masses above 1 TeV. Finally, we illustrate the analysis with a gluon resonance of 1.5 TeV and show the improvement in the sensitivity of the signal when cuts on $\theta$ are imposed.Comment: 19 pages and 6 figure

Phenomenology of a light gluon resonance in top-physics at Tevatron and LHC

We present a phenomenological analysis of the recent Tevatron results on the $t \bar t$ forward-backward asymmetry and invariant-mass spectrum assuming a new contribution from an s-channel gluon resonance with a mass in the range from 700 to 2500 GeV. In contrast to most of the previous works, this analysis shows that for masses below ~1 TeV resonant New Physics could accommodate the experimental data. In general, we find that axial-like couplings are preferred for light and top quark couplings, and that only top quark couples strongly to New Physics. We find that composite model scenarios arise naturally from only phenomenological analyses of the experimental results. We show that our results are compatible with recent LHC limits in dijet and $t \bar t$ production, and find some tension for large resonance mass ~2.5 TeV. We indicate as best observables for discriminating a relatively light new gluon a better resolution in CDF forward-backward asymmetry, as well as the $t \bar t$ charge asymmetry and invariant-mass spectrum at the LHC.Comment: 22 pages with 5 figure

Search for new physics in the third generation of quarks at the LHC

El quark top es posiblemente, junto al bosón de Higgs, una de las partículas menos estudiada y comprendida del Modelo Estándar. Menos estudiada porque, hasta el reciente anuncio del descubrimiento del tan buscado bosón de Higgs, fue durante mucho tiempo la última partícula descubierta (en el a˜no 1995 por los experimentos CDF y DØ del Tevatron). Además, comparativamente con otras partículas, su masa de 172 GeV la hace muy difícil de producir copiosamente en los colisionadores con el fin de realizar un estudio estadístico detallado de sus propiedades. Así, pese a los esfuerzos realizados, queda mucho por explorar sobre esta partícula. Y menos comprendida porque su masa es varios ordenes de magnitud más grande que la de cualquiera de los otros fermiones del Modelo Estándar. Con la llegada de la era del LHC (Large Hadron Collider) el quark top esta siendo estudiado como nunca antes, produciendo 80 millones de pares top-antitop por a˜no cuando alcance su luminosidad de dise˜no y examinando sus propiedades a una nueva escala de energías. Existen tanto argumentos experimentales como teóricos que impulsan, no sólo a explorar en profundidad las propiedades del quark top, sino también las de su compa˜nero electrodébil, el quark bottom. Por un lado, el quark top es el único fermión que posee un acoplamiento de orden ~ 1 con el bosón de Higgs. Desde un punto de vista teórico, ésto abre la posibilidad de que la tercera generación de quark juegue un papel fundamental en la ruptura de la simetría electrodébil. Más aún, muchas de las teorías que pretenden explicar el origen de la ruptura de la simetría predicen un fuerte acoplamiento entre la Nueva Física y estas partículas, lo cual hace muy importante su estudio. Por el otro lado, existe evidencia experimental de la posible presencia de Nueva Física en la asimetría entre la producción forward (con la dirección al haz de protones) y la producción backward (en dirección opuesta al haz de protones) tanto de pares top-antitop medida en el colisionador Tevatron, como de bottom-antibottom, medida en el LEP (Large Electron-Positron Collider). Los modelos con un sector fuertemente interactuante han sido una de las propuestas para explicar el mecanismo de la ruptura de la simetría electrodébil y solucionar el problema de la naturalidad de la masa del Higgs. En estos modelos, el bosón de Higgs es una partícula totalmente compuesta y su potencial está determinado por la dinámica del sector fuertemente interactuante. Además, éstos predicen la aparición de otras nuevas partículas compuestas en la escala TeV que interactúan fuertemente con la tercera generación de quarks, incluyendo nuevas resonancias fermiónicas de espín 1/2 y nuevos bosones de gauge masivos. Éstos últimos son producidos en colisionadores hadrónicos a través de aniquilación de quarks y decaen principalmente a un par top-antitop. Así, la producción de top-antitop vía fusión de gluones es background para las búsquedas de este tipo de resonancias. En esta tesis se estudiaron cortes en la se˜nal de producción de pares de top-antitop en el LHC que dan lugar a un aumento de la sensibilidad a la Nueva Física en las búsquedas de resonancias en el espectro de masa invariante producto del incremento de la proporción de eventos de aniquilación de quarks luego de dichos cortes. Tres variables de corte fueron consideradas en el análisis con el fin de mejorar las perspectivas de encontrar Nueva Física por medio de este tipo de búsquedas: Los momentos longitudinal y transversal del par top-antitop, y el ángulo de dispersión entre el haz de protones y el quark top. La existencia de una resonancia gluónica masiva es una de las principales propuestas de Nueva Física para explicar la desviación medida en la asimetría forward-backward en el Tevatron. En esta tesis se introdujo un modelo puramente fenomenológico donde el nuevo gluón masivo, con una masa entre 700 y 2500 GeV, interactúa con los quarks del Modelo Estándar con diferente magnitud. Si bien en el modelo no se supone ninguna teoría subyacente en particular, los resultados del Tevatron favorecen acoplamientos axiales entre el gluón masivo y los quarks, con magnitudes que van en aumento con la masa de los quarks. Así, emergen naturalmente escenarios con un nuevo sector compuesto. Finalmente, en los modelos de Higgs Compuesto es requerida la existencia de nuevas resonancias fermiónicas con cargas exóticas. En este contexto, un modelo que intenta encontrar una solución al problema de la asimetría forward-backward en la producción de quark bottom en el LEP predice una nueva resonancia de carga Q = −4/3. Esta resonancia es el compa˜nero compuesto más liviano del bottom y la principal se˜nal de Nueva Física. Con masas del orden de M ≥ 1,3 TeV, el principal mecanismo de producción de esta resonancia es la producción electrodébil simple y su decaimiento es a W−b. Se dise˜nó una estrategia de búsqueda para esta partícula en el LHC que explota las principales características cinemáticas de la producción simple para distinguir entre se˜nal y background: W− y b-jet, ambos de alto impulso transversal, y un jet liviano forward.The top quark is possibly, together with the Higgs boson, one of the particles less studied and understood of the Standard Model. Less studied because until the recent announcement of the Higgs boson discovery, it was long the last particle discovered (in 1995 by the experiments CDF and DØ at the Tevatron). Moreover and comparatively with other particles, because of its mass of 172 GeV it is hard to produce copiously in colliders in order to be able to perform a detailed statistical study of its properties. Thus, in spite of the effort done, there remains a lot to explore about this particle. Less understood because its mass is several orders of magnitude larger than any other of the Standard Model fermions. With the advent of the LHC (Large Hadron Collider) era the top quark is being studied as never before, producing 80 millions of pairs top-antitop a year when it reaches its maximum luminosity and testing its properties at a new scale of energies. There exist experimental and theoretical considerations that compel us to explore in depth the properties of the top quark but also those of its electroweak partner, the bottom quark. On one hand, the top quark is the only fermion which couples to Higgs with a coupling of order ~ 1. From a theoretical point of view, this opens the possibility that the third generation plays an important role in the mechanism of electroweak symmetry breaking. Moreover, many of the theories aiming to explain the origin of the symmetry breaking predict a strong coupling between the new physics and these particles, which makes their study very important. On the other hand, there exists experimental evidence of the possible presence of new physics in the asymmetry between the forward (in the direction of the beam of protons) and backward (in opposite direction to the beam of protons) production in top-antitop pairs measured in Tevatron as well as in bottom-antibottom measured in the LEP (Large Electron-Positron Collider). Models with a strongly interacting sector have been proposed to explain the electroweak symmetry breaking mechanism and to solve the naturalness problem in the Higgs mass. In these models, the Higgs boson is a totally composite particle and its potential is determined by the dynamics of the strongly interacting sector. Also, new composite particles arise at the TeV scale which interact strongly with the third generation of quarks, including new fermionic spin 1/2 resonances and new massive gauge bosons. The latter are produced at hadron colliders via quark annihilation and decay mainly to top-antitop pairs. Thus, the top-antitop production via gluon fusion is background for the searches of these kind of resonances. In this thesis cuts in the signal of top-antitop production in the LHC were studied, which results in an enhancement of the sensibility to the New Physics in the resonaces searches in the invariant mass spectrum because of the increment in the proportion of quark annihilation events after these cuts. Three cuts variables have been analyzed in order to improve the possibilities of finding new physics by means of these kind of resonances searches: the longitudinal and transverse momentum of the top-antitop pair and the dispersion angle between the proton beam and the top quark. The existence of a massive gluonic resonance is one of the main proposals of New Physics to explain the deviation measured in the forward-backward asymmetry at the Tevatron. A purely phenomenological model was proposed in this thesis, where the new massive gluon, with a mass between 700 and 2500 GeV, interacts with Standard Model quarks at different strength. Even though the model does not assume any underlying theory in particular, the results of Tevatron favor axial coupling between the massive gluon and the quarks, with strengths that grow with the mass of the quarks. Thus, a composite Higgs scenery naturally arises. Finally, the existence of new fermionic resonances with exotic charges is required in composite Higgs theories. In this context, a model aiming to solve the forward-backward asymmetry anomaly in the production of bottom quarks at LEP predicts a new resonance with charge Q = −4/3. This resonance is the lightest composite partner of the bottom and the main signal of New Physics. With masses M ≥ 1,3 TeV, the main production mechanism of this resonance is the single electroweak production and its decay is via W−b. In this thesis, a search strategy for this particle at the LHC was designed, exploiting the main kinematical features of the single production to distinguish signal over background: a hard W−, a hard b-jet and a forward light jet.Fil:Sanchez Vietto, Juan Ignacio. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina

Single production of an exotic bottom partner at LHC

We study single production and detection at the LHC run II of exotic partners of the bottom quark. For masses larger than 1 TeV single production can dominate over pair production that is suppressed due to phase space. The presence of exotic partners of the bottom is motivated in models aiming to solve the AFB b anomaly measured at LEP and SLC. Minimal models of this type with partial compositeness predict, as the lightest bottom partner, a new fermion V of electric charge -4/3, also called mirror. The relevant coupling for our study is a WVb vertex, which yields a signal that corresponds to a hard W, a hard b-jet and a forward light jet. We design a search strategy for the leptonic decay of the W, which avoids the large QCD multijet background and its large uncertainties. We find that the main backgrounds are W+ jets and tt̄, and the key variables to enhance the signal over them are a hard b-jet and the rapidity of the light jet. We determine the discovery reach for the LHC run II, in particular we predict that, for couplings of order ∼ g/10, this signal could be detected at a 95% confidence level with a mass up to 2.4TeV using the first 100 fb-1. © The Authors.Fil: Alvarez, Ezequiel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Da Rold, Leandro. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Sanchez Vietto, Juan Ignacio. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentin