Measurement of the ttgamma cross section and effective field theory interpretation with the CMS experiment

Das Standardmodell (SM) der Teilchenphysik, eine Theorie der derzeitig bekannten Elementarteilchen und deren Wechselwirkungen, liefert pr��zise Vorhersagen in ��bereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen. Es z��hlt, trotz bekannter Unvollst��ndigkeit, zu einer der am strengsten getesteten Theorien. Ist die Masse neuer Teilchen f��r derzeitige Teilchenbeschleuniger wie dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN jedoch nicht erreichbar, so wird der Nachweis ihrer Existenz in Abweichung kinematischer Spektren der SM Teilchen bei geringeren Energien sichtbar. Das Top-Quark spielt in vielen Theorien jenseits des SM eine wichtige Rolle. Seine Wechselwirkungen, im Speziellen die elektromagnetische Top-Quark-Photon Kopplung, sind sensitiv auf Einfl��sse neuer Physik. Die Messung der inklusiven und differentiellen Produktionswechselwirkungsquerschnitte eines Top-Quark Paares in Verbindung mit einem Photon (ttgamma) erm��glicht den Zugang zu dieser Kopplung. F��r die Messung der inklusiven und differentiellen ttgamma Produktionswechselwirkungsquerschnitte wird ein vom CMS Experiment in der LHC Run 2 (2016-2018) Datenaufnahme aufgezeichneter Datensatz von 137 fb-1 integrierter Luminosit��t an Proton-Proton Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt(s) = 13 TeV verwendet. Zur Analyse herangezogene Ereignisse m��ssen ein geladenes Lepton (Elektron oder Myon), ein isoliertes Photon, mindestens drei Jets aus der Hadronisierung von Quarks, von denen mindestens einer von einem Bottom-Quark stammt, aufweisen. Das Photon kann von einem Quark im Anfangszustand, dem Top-Quark oder den Zerfallsprodukten des Top-Quarks emittiert werden. Der inklusive Produktionswechselwirkungsquerschnitt des ttgamma Prozesses wird f��r einen transversalen Photon-Impuls gr����er als 20 GeV und einem Absolutwert der Pseudorapidit��t |eta| < 1.4442 gemessen. Der gemessene ttgamma Produktionswechselwirkungsquerschnitt von 798 +- 7 (stat) +- 48 (syst) fb ist in guter ��bereinstimmung mit der SM Vorhersage von 773 +- 135 fb in Simulationen n��chst-f��hrender Ordnung in Quantenchromodynamik. Differentielle Produktionswechselwirkungsquerschnittsmessungen werden in diversen kinematischen Observablen durchgef��hrt und auf die Teilchenebene entfaltet, was einen Vergleich mit theoretischen Vorhersagen erm��glicht. Die Messungen werden im Kontext der effektiven Feldtheorie des SM interpretiert und f��r die derzeit st��rkste Einschr��nkung anormaler elektromagnetischer Dipolmomente des Top-Quarks verwendet.
The standard model (SM) of particle physics, a theory of the currently known elementary particles and their fundamental interactions, provides predictions in agreement with experimental results up to the highest achievable precision. It is one of the most stringently tested theories, still known to be incomplete. If we suppose that new particles are too heavy for discovery at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN, indirect effects can still be discernible in deviations in kinematic spectra at much lower energies. Because the top quark plays a crucial role in many beyond the SM theories, its interactions are sensitive probes of new physics phenomena. In particular, the measurement of the inclusive and differential cross sections of a top quark pair in association with a photon (ttgamma) will access the electromagnetic top quark coupling. A data set of 137 fb-1 integrated luminosity of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 13 TeV, recorded by the CMS experiment during the LHC Run 2 (2016-2018) data taking, is used for the measurement of the inclusive and differential ttgamma cross sections. Events are selected by requiring one charged lepton (electron or muon), one isolated photon, and at least three jets from the hadronization of quarks, where at least one has to originate from a bottom quark. The photon may be emitted from an initial-state quark, the top quark, or any decay product of the top quark. The inclusive cross section of the ttgamma process is measured for a photon transverse momentum greater than 20 GeV and absolute value of the pseudorapidity |eta| < 1.4442. The measured ttgamma cross section in the fiducial phase space of 798 +- 7 (stat) +- 48 (syst) fb is in good agreement with the SM prediction of 773 +- 135 fb from simulations at next-to-leading order in quantum chromodynamics. Differential cross section measurements are performed in several kinematic observables and unfolded to the particle level, allowing for comparisons to theoretical predictions. The measurements are interpreted in terms of the SM effective field theory and are used to set constraints on anomalous electromagnetic dipole interactions of the top quark that are the most stringent to date.