Diese Arbeit präsentiert die Messung der Produktion eines einzelnen top quarks im s-channel. Dazu wird der 13 TeV ATLAS Datensatz, welcher von 2015 bis 2018 aufgenommen wurde und insgesamt 139 fb^−1 integrierte Luminositat hat, analysiert. Die große Schwierigkeit dieser Analyse ist die überwältigende Menge an Untergrund. Nach einer optimisierten Auswahl von Ereignissen stammen nur 3 % der Ereignisse von dem gesuchten Prozess. Demzufolge muss der Untergrund so gut wie möglich von dem Signal getrennt werden. In dieser Analyse wird die Matrixelement Methode verwendet. Diese Methode wendet das Neyman-Pearson Lemma, das die optimale Teststatistik beschreibt, auf dieses Teilchenphysik Experiment an. Die Likelihood Funktionen werden durch eine Faltung der Matrixelemente, die die harte Streuung beschreiben, mit den Transferfunktionen, die für die Modelierung der Detektoreffekte zuständig sind, berechnet. Wegen begrenzter Rechenkapazitäten kann dabei nur die erste Ordnung der Näherung in die Berechnung einbezogen werden. Diese Arbeit stellt außerdem Studien vor, die das Ziel haben diese Methode zu verbessern. Dazu wurden die Transferfunktion neu bestimmt. Außerdem wird ein Neuronales Netzwerk zur Identifizierung des Signals angewendet. Um das Resultat zu extrahieren wurde eine statistisches Modell der diskriminierenden Variable der Matrixelement Methode erstellt und mit Hilfe des profile likelihood Fits wurde der Parameter μ, der als Quotient aus dem gemessenen s-channel Wirkungsquerschnitt zu dem vom Standard Modell vorhergesagten Wirkungsquerschnitt definiert ist, bestimmt. Das Resultat der Analyse ist μ = 1.28 ^+0.36_− 0.31. Dies stimmt mit der Standard Modell Vorhersage überein. Die gemessene Signifikanz beträgt 4.19 σ. Dies ist die höchste jemals gemessene Signifikanz für die s-channel Produktion eines einzelnen top quarks in Proton-Proton Kollisionen. / This thesis presents the measurement of the single top s-channel production with the ATLAS detector. The analysis is based on data collected between 2015 and 2018, at a center-of-mass energy of 13 TeV and with an integrated luminosity of 139 fb^−1. The main challenge of this analysis is the overwhelming background. After an optimized selection of events the signal amounts to only approximately 3 % of all events in the signal region. This necessitates the best possible separation of signal and background. In this thesis, the Matrix Element is utilized. The underlying principle for this method is the Neyman-Pearson lemma which states the optimal test statistic. The likelihoods are computed by a convolution of the matrix elements describing the hard scattering process and the transfer functions which model the detector effects. Due to limited computing resources, only the leading order approximation can be calculated. This thesis further investigates methodologies aimed at enhancing the effectiveness of the signal separation process. For that reason, the transfer functions are updated and a study in which a neural network uses the event likelihoods of the Matrix Element Method as in- put to produce a different discriminating variable is shown. To extract the final result, a statistical analysis of the discriminating variable result- ing from the Matrix Element Method is preformed. A statistical model is built and the profile likelihood fit is used to extract the parameter of interest μ which is the ratio of the observed s-channel single top production cross-section to the Standard Model expectation. The result of the analysis is μ = 1.28 ^+0.36_− 0.31 which is in agreement with the Standard Model. The observed significance of this analysis is 4.19 σ. This is the highest measured significance of the s-channel single top production in proton-proton collisions.

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.

Das Top-Quark ist das schwerste bekannte Elementarteilchen. Im Standardmodell (SM) der Elementarteilchenphysik ist die Erzeugung in Paaren durch die starke Wechselwirkung der dominante Beitrag zu seiner Produktion. Top-Quarks können durch die schwache Wechselwirkung ebenfalls einzeln produziert werden. Die Einzelproduktion ist trotz ihres schwierigen experimentellen Nachweises wegen ihrer Komplementarität zur Paarproduktion interessant. So sind einzeln produzierte Top-Quarks stark polarisiert. Diese Polarisation führt wegen des Zerfalls von Top-Quarks vor ihrer Hadronisierung zu experimentell zugänglichen Auswirkungen auf die Zerfallsprodukte. Weiterhin erlaubt die Beteiligung von Bottom-Quarks im Anfangszustand die Untersuchung der zugehörigen Partonverteilungsfunktion. In dieser Arbeit werden für phänomenologische Vorhersagen Wirkungsquerschnitte für die Produktion einzelner Top-Quarks oder Top-Antiquarks in Assoziation mit zwei Jets im SM berechnet. Dabei werden die Korrekturen in der nächstführenden Ordnung der Quantenchromodynamik (QCD) berücksichtigt. Diese Korrekturen bilden den wichtigsten Beitrag jenseits der führenden Ordnung zur Verbesserung der theoretischen Vorhersage. Präzise theoretische Vorhersagen für Wirkungsquerschnitte sind für die Suche nach Physik jenseits des SM mit dem Large Hadron Collider am CERN unerlässlich. Im Unterschied zu den im Jahr 2002 veröffentlichten Korrekturen in der QCD zur Produktion einzelner Top-Quarks wurde ein zusätzliches Teilchen im Endzustand berücksichtigt. Als Folge treten neue partonische Anfangszustände und Beiträge mit Farbaustausch zwischen den Quark-Linien auf. Da Top-Quarks nach kurzer Zeit in ein W-Boson und ein Bottom-Quark zerfallen, muss zugleich eine konsistente Abgrenzung von der Produktion einzelner Top-Quarks in Assoziation mit einem W-Boson und von der Paarproduktion vorgenommen werden. / The top quark is the heaviest known elementary particle. In the standard model (SM) of elementary particle physics it is produced predominantly in pairs by the strong interaction. The weak interaction enables the production of single top-quarks as well. Despite its difficult experimental signature, the production of single top-quarks is interesting as it is complementary to the production of pairs. For instance single top-quarks are highly polarized. As top quarks decay before they hadronize, the polarization affects the decay products of the top quark in an experimentally accessible way. Furthermore, the participation of bottom-quarks in the initial state allows a study of the corresponding parton distribution functions. This thesis makes phenomenological predictions for the SM by calculating cross sections for the production of single top-quarks in association with two jets. Next-to-leading order corrections in quantum chromodynamics (QCD) are taken into account. These corrections are the most important contribution for precise predictions beyond the leading order calculation. Precise theoretical predictions for cross sections are mandatory for the search for new physics at the Large Hadron Collider at CERN. In contrast to the QCD corrections for the production of single top-quarks published in 2002 an additional particle in the final state was taken into account. As a consequence, new partonic initial states and contributions with exchange of color charge between the quark lines occur. As top quarks decay rapidly into a W boson and a bottom quark, a consistent separation from the production of top quark pairs and from the production of single top-quarks in association with a W boson must be ensured.

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