Medición de las secciones eficaces inclusivas y diferenciales de la producción asociada de un par de quarks top y un bosón w, y búsqueda de leptoquarks en estados finales con múltiples leptones con el detector atlas

Resumen

Esta disertación presenta un amplio espectro de análisis físicos que contienen múltiples leptones y jets etiquetados como $b$-jets en el estado final, usando los datos de colisiones protón-protón a una energía del centro de masas de $\sqrt{s} = 13$ TeV registrados por el detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés). Se utiliza el conjunto de datos del Run 2 completo, que corresponde a una luminosidad integrada de 139 fb$^{-1}$. La disertación se estructura a lo largo de dos ejes principales. El primer eje se centra en la medición de la sección eficaz inclusiva y diferencial de la producción asociada de un par de quarks top y un bosón $W$ ($t\bar{t}W$). Esta medida está muy motivada debido a las tensiones observadas en el análisis de los datos por parte de los experimentos ATLAS y CMS. El modelado teórico de este proceso representa un gran desafío debido a correcciones de orden superior importantes, lo cual requiere un gran esfuerzo para lograr una simulación precisa de esta contribución. La medición se realiza tanto de manera inclusiva como diferencial, donde se corrigen por efectos experimentales varios observables. La sección eficaz de $t\bar{t}W$ se mide consistentemente más alta que la predicción del Modelo Estándar (SM, por sus siglas en inglés) por un factor de $\mu_{t\bar{t}W}$=1.46$^{\,+0.14}_{\,-0.13}$. El segundo eje se centra en la búsqueda de física más allá del SM (BSM, por sus siglas en inglés) y, en particular, en la búsqueda de leptoquarks. Los leptoquarks son uno de los escenarios BSM más favorecidos para describir las intrigantes desviaciones reportadas en las desintegraciones de mesones $B$ por parte de los experimentos LHCb y las fábricas de $B$. Esta tesis tiene como objetivo la producción de leptoquarks en pares con una masa en la escala del TeV, cada uno de los cuales se acopla simultáneamente con un quark top y un leptón ($e,\, \mu,\, \tau$-leptón). Este esfuerzo se divide en dos búsquedas dedicadas dirigidas a los estados finales $t\ell t\ell$ y $t\tau t\tau$, respectivamente. No se encuentra un exceso significativo en ambas búsquedas, y se establecen los límites superiores más restrictivos hasta la fecha en la sección eficaz de la señal, así como en la fracción de desintegración, en función de la masa del leptoquark para varios modelos de leptoquarks escalares y vectoriales. En la búsqueda de $t\ell t\ell$, se excluye un leptoquark escalar con una masa de aproximadamente 1.6 TeV con un nivel de confianza del 95\%, asumiendo que decae exclusivamente en $te$ o $t\mu$. La exclusión más estricta para un leptoquark vector alcanza los 2.0 TeV. En la búsqueda $t\tau t\tau$, las exclusiones correspondientes para los mismos tipos de leptoquarks escalares y vectoriales son de aproximadamente 1.4 TeV y 1.8 TeV, respectivamente. Estas búsquedas también se combinan con otras búsquedas de leptoquarks en ATLAS, mejorando significativamente la sensibilidad.