In dieser Dissertation werden Resultate einer Suche nach der Produktion von Einzel-Top-Quarks über flavour-verletzende neutrale Ströme (FCNCs) in starken Welchselwirkungen vorgestellt. Hierfür werden Daten aus Proton-Proton-Kollisionen am Large Hadron Collider bei einer Schwerpunktsenergie von 8TeV verwendet. Die Daten wurden mit dem ATLAS-Experiment im Jahr 2012 aufgenommen und entsprechen einer integrierten Luminosität von 14.1 fb−1. In der Analyse werden FCNC-Ereignisse selektiert, in denen ein leichtes Quark (u oder c) mit einem Gluon wechselwirkt, und ein einzelnes Top-Quark und potentiell ein weiterer einzelner Jet produziert wird. Mittels der Forderung nach genau einem Myon oder Elektron, großer fehlender Transversalenergie und exakt einem Bottom-Quark-Jet und eventuellem zusätzlichen Jet im Endzustand werden Kandidaten der gesuchten Ereignisse im leptonischen Zerfallskanal des Top-Quarks selektiert. Zur Unterscheidung zwischen Signal- und Untergrundereignissen werden multivariate Methoden herangezogen. Künstliche neuronale Netze werden verwendet, um diverse kinematische Variablen zu einem einzelnen Klassifikator zu kombinieren. Um die potentielle Produktion von Top-Quarks über FCNCs zu quantifizieren, werden die Ausgaben der neuronalen Netze einer Bayes''schen statistischen Analyse unterzogen. Da kein Überschuss an Signalereignissen festgestellt werden kann und die Ergebnisse den Erwartungen der theoretischen Vorhersagen entsprechen, werden neue obere Schranken auf den FCNC-Produktionswirkungsquerschnitt von Einzel-Top-Quarks ermittelt. Aus diesen werden unter Verwendung von modell-unabhängigen theoretischen Berechnungen neue obere Schranken auf die Kopplungskonstanten sowie auf die entsprechenden Verzweigungsverhältnisse ermittelt. / This thesis presents results of a search for single top-quark production via flavour-changing neutral currents (FCNCs) in strong interactions using data recorded with the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider in 2012. A dataset from proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 8TeV and corresponding to an integrated luminosity of 14.1 fb−1 is used. It is searched for FCNC events in which a light quark (u or c) interacts with a gluon to produce a single top quark, either with or without the associated production of another light quark or gluon. Candidate events of leptonically decaying top-quarks are selected by requiring a single electron or muon, a substantial amount of missing transverse energy, and exactly one or two jets of which exactly one has to fulfil a b-tagging criterion. Multivariate techniques are employed in order to distinguish between signal- and background-like events by making use of artificial neural networks that combine multiple kinematic variables into a single classifier output. A Bayesian statistical analysis is performed on the classifier outputs in order to quantify potential signs of FCNC single top-quark production. No excess in signal events is observed and the results are in agreement with the theory predictions. Consequently a new upper limit is set on the FCNC single top-quark production cross-section multiplied by the t->Wb branching fraction. Using theory calculations within a model-independent effective theory framework, this limit is converted into upper limits on the coupling constants of the FCNC interactions as well as into respective upper limits on the branching fractions.

Es wird eine Messung der s-Kanal Einzel Top-Quark Produktion in Proton-Proton Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV vorgestellt. Der verwendete Datensatz wurde mit dem ATLAS Detektor am LHC aufgenommen und entspricht einer integrierten Luminosität von 20.3 inversen Femtobarn. Kollisionsereignisse werden selektiert, sodass der resultierende Anteil der Signalereignisse relativ hoch ist. Selektierte Ereignisse enthalten ein isoliertes Elektron oder Myon, fehlenden Transversalimpuls und zwei Jets, die durch b-Quarks induziert wurden. Alle Objekte haben hohe transversalimpulse. Auch nach dieser Selektion überwiegen Untergrundprozesse, insbesondere die Paarproduktion von Top-Quarks und die Produktion von W-Bosonen begleitet von Jets. Um den Signalprozess weiter von den Untergründen zu trennen, werden mehrere Wahrscheinlichkeitsdichten näherungsweise berechnet. Sie unterscheiden sich hinsichtlich der Annahme des zugrundeliegenden Streuprozesses. Zusammen ergeben sie eine Funktion der gemessenen Impulse, mit deren Hilfe das Signal weiter von den Untergründen getrennt werden kann. Ein statistisches Modell der entsprechenden Verteilung wird an die Messdaten angepasst. Diese Messung ergibt eine Signifikanz des Signalprozesses von 3.4 Standardabweichungen und einen totalen Wirkungsquerschnitt von 5.3^+1.8_-1.6 Pikobarn. Dies ist die erste signifikante Messung der s-Kanal Einzel Top-Quark Produktion in Proton-Proton Kollisionen. Die Ergebnisse stimmen mit der Vorhersage des Standardmodells überein. / A measurement of s-channel single top-quark production in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 8 TeV is presented. The data set has been recorded with the ATLAS detector at the LHC and corresponds to an integrated luminosity of 20.3 inverse femtobarn. Collision events are selected so that a subset of the data is obtained where the signal fraction is relatively high. Selected events contain one isolated electron or muon, missing transverse momentum and 2 jets, both of which are induced by b-quarks. All of these objects have large transverse momenta. The resulting set of events is still dominated by background processes, most notably top-quark pair production and the production of W bosons in association with jets. In order to further separate the signal from the backgrounds, several approximate event likelihoods are computed. They are based on different hypotheses regarding the scattering process at hand. Together they result in a function of the measured momenta which allows for the desired separation of the signal process. A statistical model of the corresponding distribution is used in a fit to the measured data. The fit results in a signal significance of 3.4 standard deviations and a total cross section of 5.3^+1.8_-1.6 picobarn. This is the first evidence for s-channel single top-quark production in proton-proton collisions. The results agree with the standard model prediction.

Diese Studie stellt die Messung des Wirkungsquerschnitts der elektroschwachen Einzel-Top-Quark-Produktion im t-Kanal vor, bei der das Top-Quark semileptonisch zerfällt. Die Studie basiert auf 4.7 fb^{-1} an Daten aus Proton-Proton-Kollisionen, die vom ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider im Jahr 2011 aufgezeichnet wurden. Die ausgewählten Ereignisse beinhalten zwei hochenergetische Jets, von denen einer als von einem b-Quark stammend identifiziert wurde, sowie ein hochenergetisches Elektron oder Myon und fehlende Transversalenergie. Der Fall von drei und vier Jets wird ebenfalls betrachtet, aber schließlich verworfen, da ihre Miteinbeziehung die Präzision des Ergebnisses herabsetzt. Die Ereignisrekonstruktion erfolgt durch einen Chi-Quadrat-basierten kinematischen Fit mit W-Boson- und Top-Quark-Massenzwangsbedingungen. Der Wert des Chi-Quadrat in jedem Ereignis dient dazu, das Ereignis als signal- oder untergrundähnlich zu klassifizieren. Der Wirkungsquerschnitt wird mittels eines template-basierten Maximum-Likelihood-Fits an die Verteilung, die die beste Trennschärfe besitzt, extrahiert: Die Verteilung is derart gewählt, dass die Formunterschiede zwischen Signal und Untergrund bezüglich der Kinematik des typischen leichten Vorwärtsjets des t-Kanals ausgenutzt werden. Eine Beobachtung des Single-Top-t-Kanal-Prozesses mit einer Signifikanz von 5.7 Sigma wird erreicht, und der Wirkungsquerschnitt wird zu 111^{+29}_{-28} pb gemessen. Unter der Annahme |Vtb|^{2} >> |Vtd|^{2} + |Vts|^{2} sowie einer (V-A)-, CP-erhaltenden Wechselwirkung, und unter Berücksichtigung von möglichen anomalen Kopplungen am W-t-b-Vertex, wird der Wert des entsprechenden CKM-Matrixelements mal einem anomalen Formfaktor zu |Vtb*f^{L}_{1}| = 1.30^{+0.13}_{-0.16} bestimmt. Dies führt zu einer unteren Grenze im Standardmodell-Szenario 0 / This study presents the cross-section measurement of electroweak single-top quark production in the t-channel with a semi-leptonically decaying top quark. The study is based on 4.7 fb^{-1} of proton-proton collision data recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider in the year 2011. Selected events contain two highly energetic jets, one of which is identified as originating from a beauty quark, as well as a highly energetic electron or muon and transverse missing energy. The case of three and four jets is also considered but eventually discarded since their inclusion degrades the precision of the result. The event reconstruction is done with a chi-square-based kinematic fit using W boson and top quark mass constraints. The chi-square value in each event serves to classify the event as a signal-like or background-like process. The cross-section is extracted by performing a template-based maximum likelihood fit to the distribution that displays the best discriminatory power: This distribution is chosen such that the shape differences between signal and background with respect to the typical forward light jet kinematics of the t-channel are exploited. An observation of the single-top t-channel process with a significance of 5.7 Sigma is obtained, and the cross-section is measured to be 111^{+29}_{-28} pb. Assuming |Vtb|^{2} >> |Vtd|^{2} + |Vts|^{2} as well as a (V-A), CP-conserving interaction, and allowing for the presence of anomalous couplings at the W-t-b vertex, the associated value of the CKM matrix element times an anomalous form factor is determined as |Vtb*f^{L}_{1}| = 1.30^{+0.13}_{-0.16}. The corresponding lower limit in the standard model scenario 0