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Das Top-Quark zerfällt, bevor es hadronisiert. Bevor die Spin-Konfiguration des Top-Quarks durch Prozesse der Starken Wechselwirkung geändert werden kann, wird sie direkt an die Zerfallsprodukte des Top-Quarks weitergegeben. Rückschl usse auf den Spin des Top-Quarks können über Winkelverteilungen der Zerfallsprodukte gezogen werden. Die Spins von Top-/Anti-Top-Quark (tt) Paaren sind, gemäß der Vorhersage durch das Standardmodell, korreliert. Der Grad der Korrelation ist sensitiv auf den Spin und die Produktionsmechanismen des Top-Quarks. Die Messung der Spin-Korrelation bietet einen Test der Vorhersagen. Effekte von Physik jenseits des Standardmodells können sich in Abweichungen der vorhergesagten Spin-Korrelation manifestieren. In dieser Arbeit wird die Spin-Korrelation von Top-Quark Paaren, die bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt(s) = 7 TeV produziert und mit dem ATLAS Detektor rekonstruiert wurden, gemessen. Der Datensatz entspricht einer integrierten Luminosität von 4.6 fb-1. Die Top-Quarks wurden im Lepton+Jets Zerfallskanal mittels eines kinematischen Likelihood-Fits, der eine Trennung der leichten up- und down-Typ Quarks aus dem t->bW->bqq Zerfall erlaubt, rekonstruiert. Die Spin-Korrelation wird über die Verteilung des Azimutalwinkels zwischen zwei Top-Quark Spin-Analysatoren im Laborsystem gemessen. Sie wird als Grad fSM der Spin-Korrelation, wie sie im Rahmen des Standardmodells berechnet wird, angegeben. Die Messungen ergeben fSM(DeltaPhi(geladenes Lepton, down-Typ Quark)) = 1.53 ± 0.14 (stat.) ± 0.32 (syst.); fSM(DeltaPhi(geladenes Lepton, b-Quark)) = 0.53 ± 0.18 (stat.) ± 0.49 (syst.); fSM(DeltaPhi(kombiniert)) = 1.12 ± 0.11 (stat.) ± 0.22 (syst.). Die Ergebnisse stimmen mit der Berechnung im Rahmen des Standardmodells, fSM = 1.0, überein.

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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.

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This thesis contains phenomenological studies of top quark production in the forward region of phase space at the Large Hadron Collider (LHC). The production of highly forward top quarks has so far not been observed in nature. As the LHCb detector at the LHC is instrumented in the forward region, this opens the possibility of studying top quark properties in this yet unexplored region of phase space. This feasibility of performing cross section and charge asymmetry measurements of top quark pairs with available and future LHCb data is studied in detail. In both cases, potential analysis strategies are proposed, and sophisticated theoretical predictions are provided for both signal and background. By studying the expected experimental sensitivity of cross section measurements, the potential constraints on parton distribution functions is quantified. The sensitivity of the proposed charge asymmetry measurements with the full Run II LHCb data is also considered.

Searches are presented for narrow heavy resonances decaying to a top quark and a bottom quark using data collected by the CMS experiment at a center-of-mass energy of 13 TeV. Final states that include a single lepton (electron, muon), multiple jets, and missing transverse momentum are analyzed. No evidence is found for the production of a W' boson, and the production of right-handed W' bosons is excluded at 95% confidence level for masses up to 3.6 TeV depending on the scenario considered. Exclusion limits for W' bosons are also presented as a function of their coupling strength to left- and right-handed fermions. These limits on a W' boson decaying via a top and a bottom quark are the most stringent published to date. Projections for future searches with an integrated luminosity of up to 3 inverse attobarns are also presented, and suggest that W' boson masses above 4 TeV could be excluded.

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.

<p>This thesis presents two measurements of the top quark using 230 pb-1 of data taken with the D0 detector at the Tevatron accelerator. The first measurement determines the top pair production cross section at sqrt(s)=1.96 TeV in proton-antiproton collisions. In the standard model of particle physics the top quark decays almost exclusively into a W boson and a b quark. Candidate events are selected by requiring that at least one jet in the event is tagged with the secondary vertex algorithm. The measured top pair production cross section is:</p><p>8.6 +1.6-1.5 (stat. + syst.) +- 0.6 (lumi.) pb.</p><p>The second measurement uses the observed and predicted number of events with 0, 1 and 2 b-tagged jets to estimate the ratio R:</p><p>R = B(t->Wb) / B(t->Wq)</p><p>where q stands for any down-type quark. The measured value is</p><p>R = 1.03 +0.19-0.17 (stat. + syst.)</p><p>in good agreement with the standard model prediction of R=1. The result can be used to obtain a lower limit for R:</p><p>R > 0.61 (95% C.L.).</p>

This thesis presents two measurements of the top quark using 230 pb-1 of data taken with the D0 detector at the Tevatron accelerator. The first measurement determines the top pair production cross section at sqrt(s)=1.96 TeV in proton-antiproton collisions. In the standard model of particle physics the top quark decays almost exclusively into a W boson and a b quark. Candidate events are selected by requiring that at least one jet in the event is tagged with the secondary vertex algorithm. The measured top pair production cross section is: 8.6 +1.6-1.5 (stat. + syst.) +- 0.6 (lumi.) pb. The second measurement uses the observed and predicted number of events with 0, 1 and 2 b-tagged jets to estimate the ratio R: R = B(t-&gt;Wb) / B(t-&gt;Wq) where q stands for any down-type quark. The measured value is R = 1.03 +0.19-0.17 (stat. + syst.) in good agreement with the standard model prediction of R=1. The result can be used to obtain a lower limit for R: R &gt; 0.61 (95% C.L.).