Promotionsvortrag von Björn Wendland

Die umfangreichen Datensätze, die von den ATLAS- und CMS-Experimenten in Proton-Proton­Kollisionen des Large Hadron Colliders bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV aufgenommen wurden, ermöglichen hochpräzise Messungen der Eigenschaften des Top-Quarks und die erstmalige experimentelle Erforschung einiger seltener Top-Quark-Prozesse. Die t-Kanal Einzelproduktion eines Top-Quarks in Assoziation mit einem Photon stellt einen solchen Prozess dar. Messungen dieses Signalprozesses sind direkte Untersuchungen der Wechselwirkung zwischen Top-Quark und Photon, die ein zentraler Bestandteil der elektroschwachen Physik ist. In dieser Arbeit wird dieser Prozess anhand von Ereignissen untersucht, die aus den Daten des ATLAS-Experiments ausgewählt werden und entweder ein Elektron oder ein Myon, mindestens ein Photon, einen hohen fehlenden transversalen Impuls und einen Teilchenjet, der durch ein Bottom-Quark initiiert wurde, aufweisen. 
Die Untersuchung von Endzuständen mit Photonen, wie sie der Signalprozess aufweist, mittels Daten von Proton-Proton-Kollisionen stellt eine Herausforderung dar, da der Großteil der rekonstruierten Photon-Kandidaten Untergrund-Photonen sind, die aus hadronischer Aktivität stammen. Dies erfordert eine starke Unterdrückung solcher Kandidaten, was durch die Anwendung von Photon-Isolations- und Photon-Identifikationskriterien erreicht wird. Präzise Messungen ihrer Effizienzen sind unerlässlich, um eine durchgehend hohe Leistung sicherzustellen und eine genaue Modellierung des Beitrags von Signal-Photonen in Simulationen zu gewährleisten. In dieser Arbeit werden Verbesserungen der Methode zur Messung der Effizienz der Photon-Identifikation bei hohen Photon-Energien samt der zugehörigen Messergebnisse vorgestellt. 

Die größten Untergrundbeiträge im untersuchten Datensatz stammen von der Produktion von Top-Quark-Paaren in Assoziation mit einem Photon, von Ereignissen, bei denen ein Elektron fälschlicherweise als Photon identifiziert wurde, und von der Produktion eines W-Bosons in Assoziation mit einem Photon und Teilchenjets. Untergrundbeiträge, die aus Ereignissen mit Untergrund-Leptonen und Untergrund-Photonen stammen, werden datengetrieben abgeschätzt. 

Nur ein kleiner Bruchteil der ausgewählten Ereignisse stammt vom Signalprozess. Tiefe neuronale Netze werden eingesetzt, um effizient Signal- und Untergrundbeiträge voneinander zu trennen. In dieser Arbeit wird die erstmalige Beobachtung des Signalprozesses präsentiert, die mithilfe dieser neuronalen Netze mit einer statistischen Signifikanz von 9,3 Standardabweichungen erreicht wird. Diese Beobachtung stellt einen Meilenstein in der elektroschwachen Physik dar. Zwei Wirkungsquerschnitte des Signalprozesses werden in Referenzphasenräumen mit einer Präzision von 11 0/o gemessen. Ihre Werte stimmen innerhalb von 2,0 beziehungsweise 2, 1 Standardabweichungen mit den Vorhersagen des Standardmodells auf nächstführender Ordnung in der Quantenchromodynamik überein.