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Studies at the CMS experiment on silicon microstrip module defects and on photon identification in semileptonic tt̄-events [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Thomas Hermanns

De
161 pages
StudiesattheCMSExperimentonSiliconMicrostripModuleDefectsandon¯PhotonIdentificationinSemileptonictt EventsVonderFakultat¨ fur¨ Mathematik,InformatikundNaturwissenschaftenderRWTH AachenUniversityzurErlangungdesakademischenGradeseinesDoktorsderNaturwissenschaftengenehmigteDissertationvorgelegtvonDiplom PhysikerThomasHermannsausErkelenzBerichter: Universitatsprofessor¨ Dr.JoachimMnichUniversit¨ Dr.AchimStahlTagdermundlichen¨ Prufung:¨ 15.Dezember2008DieseDissertationistaufdenInternetseitenderHochschulbibliothekonlineverfugbar¨ .AbstractThe present thesis has been accomplished in the framework of the Compact Muon Solenoid (CMS)experiment at the Large Hadron Collider (LHC). It is divided into two parts. The first one describesthe studies that have been performed by a centralized Module Debug Centre to investigate the siliconmicrostrip detector modules for the CMS inner tracker endcaps that have not passed the qualificationprocedure during the mass production. A scheme of seven global defect classes has been introduced.The signatures of each class as well as the methods to sort a module into a certain class are illustrated.In total, 225 modules have been examined and 126 of them could be repaired. No systematic source ofdefectshasbeenobservedfortheentireproductionphase.¯The second part deals with the identification of semileptonic tt events (electron and muon channel)containing photons that are radiated off top quarks.
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StudiesattheCMSExperimenton
SiliconMicrostripModuleDefects
andon
¯PhotonIdentificationinSemileptonictt Events
VonderFakultat¨ fur¨ Mathematik,InformatikundNaturwissenschaftender
RWTH AachenUniversityzurErlangungdesakademischenGradeseines
DoktorsderNaturwissenschaftengenehmigteDissertation
vorgelegtvon
Diplom Physiker
ThomasHermanns
ausErkelenz
Berichter: Universitatsprofessor¨ Dr.JoachimMnich
Universit¨ Dr.AchimStahl
Tagdermundlichen¨ Prufung:¨ 15.Dezember2008
DieseDissertationistaufdenInternetseitenderHochschulbibliothekonlineverfugbar¨ .Abstract
The present thesis has been accomplished in the framework of the Compact Muon Solenoid (CMS)
experiment at the Large Hadron Collider (LHC). It is divided into two parts. The first one describes
the studies that have been performed by a centralized Module Debug Centre to investigate the silicon
microstrip detector modules for the CMS inner tracker endcaps that have not passed the qualification
procedure during the mass production. A scheme of seven global defect classes has been introduced.
The signatures of each class as well as the methods to sort a module into a certain class are illustrated.
In total, 225 modules have been examined and 126 of them could be repaired. No systematic source of
defectshasbeenobservedfortheentireproductionphase.
¯The second part deals with the identification of semileptonic tt events (electron and muon channel)
containing photons that are radiated off top quarks. A signature based Monte Carlo analysis reveals
¯ ¯that the separation of the tt events from the non t t background (W + Jets, Z + Jets, di boson, γ +Jets,
and QCD multijet events) is possible. The resulting photon energy spectra are dominated by photons
¯radiatedofftop quarks. Thesituationchangesconsiderablyiffurthermoreaninclusivet t+Jets data set
is included. The semileptonic fraction has the same event signature as the signal events. Due to the
0irreducible background from the decayπ → γγ possibly being part of the hadronic structure of these
eventstheenergyspectraarenowmainlyformedbythelatterphotons. Asignal to backgroundratioof
1/46(electronchannel)and1/31(muonchannel)canbeachieved.
¯Ifthett+Jets eventsarenotconsideredasbackgroundbutreplacethesignaldata setbecauseofa10%to
15%admixtureofphotonsthatareradiatedofftop quarksintheseevents,afirststudyonthedistinction
between a top quark with an electromagnetic charge of 2 /3e and−4/3e has been implemented. It is
shownthatthepotentialexiststodirectlymeasurethe value ofthis electromagnetic couplingparameter
1ofthetop quarkwithafew10fb ofLHCcollisiondataattheCMSexperiment.
IIIKurzfassung
Die vorliegende Arbeit ist im Rahmen des Compact Muon Solenoid (CMS) Experiments angefertigt
worden, das am Large Hadron Collider (LHC) installiert ist. Sie ist in zwei Teile aufgeteilt. Der erste
Teil behandelt Studien, die in einem zentralisierten Module Debug Centre zur Untersuchung von Silizi
umstreifendetektormodulenfur¨ dieEndkappenderinnerenSpurdetektorsdurchgefuhrt¨ wordensind,die
inderMassenproduktionalsdefektaufgefallensind.EineRastervonsiebenallgemeinenDefektklassen
istdazueingefuhrt¨ worden.DiespeziellenEigenschafteneinerjedenKlassewerdenbeschriebenunddie
Kriterien, nach denen die Module in die Klassen einsortiert werden, dargelegt. Insgesamt sind 225 Mo
duleuntersuchtworden,vondenen126repariertwerdenkonnten.SystematischeFehlerquellenkonnten
wahrend¨ dergesamtenMassenproduktionsphasenichtbeobachtetwerden.
¯Der zweite Teil der Arbeit beschaftigt¨ sich mit der Identifikation von semileptonischen tt Ereignissen
(Elektron und Myonkanal), in denen ein Photon vom top Quark abgestrahlt wird. Eine schnittbasier-
¯ ¯te Monte Carlo Analyse zeigt, dass die Trennung der tt Ereignisse vom nicht t t Untergrund (W + Jets,
Z + Jets, Diboson, γ +Jets, und QCD Multijet Ereignisse) gelingt. Das resultierende Photonspektrum
wird durch Photonen bestimmt, die von top Quarks abgestrahlt werden. Die Verh altnisse¨ andern¨ sich
¯betrachtlich,¨ wenn zwingend ein inklusiver tt+Jets Datensatz als Untergrund hinzugenommen wird.
Der semileptonische Anteil zeigt dieselbe Ereignissignatur wie die Signalereignisse. Aufgrund des ir-
0reduziblen Untergrundes durch den Zerfall π → γγ, die in dem hadronischen Anteil dieser Ereig
nisse vorkommen konnen,¨ werden die Spektren nun durch diese Photonen bestimmt. Ein Signal zu
Untergrundverhaltnis¨ von1/46(Elektronkanal)und1/31(Myonkanal)kannnunerreichtwerden.
¯Wennnundieinklusiventt+Jets EreignissenichtalsUntergrundsondernalsSignaldatensatzangesehen
werden, kann eine erste Studie zur Unterscheidung eines top Quarks mit einer elektromagnetischen La
¯dung von 2/3e und−4/3e durchgefuhrt¨ werden, da der tt Datensatz eine 10 bis 15%ige Beimischung
von Photonen enthalt,¨ die von top Quarks abgestrahlt werden. Es kann gezeigt werden, dass es die
Moglichk¨ eit gibt, den Wert dieses elektromagnetischen Kopplungsparameters direkt zu messen, nach
1
demeinige10fb LHC DatenmitdemCMSExperimentaufgezeichnetwordensind.
IIIIVTableofContents
Abstract I
Kurzfassung III
1 Introduction 1
2 TheCMSDetectorattheLHC 5
2.1 TheLargeHadronCollider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 TheMainDetectorsattheLHC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 TheCompactMuonSolenoidDetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.1 KeyParametersoftheCMSDetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.2 CMSCoordinateSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3 TheCMSSiliconMicrostripDetector 11
3.1 TheCMSSiliconTracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 TheCMSSiliconSensorLayout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.3 TheCMSSiliconMicrostripDetectorModuleLayout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.4 TheCMSSiliconHybridLayout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.5 TheModuleProductionandQualification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.5.1 ARCTestSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.5.2 ClassificationSchemeofDefectiveModules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.6 TheCMSSiliconMicrostripModuleQuality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4 TheTECSiliconMicrostripModuleDebugCentre 21
4.1 TheTECModuleDebugCentre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2 TheClassificationofDefectsandFailures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2.1 IV Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2.2 FrontendHybridProblems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.2.3 DamageoftheCarbonSupportStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2.4 MisalignedModules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.2.5 NumberofDefectiveChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2.6 InappropriateHandling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
VVI TABLE OF CONTENTS
4.2.7 OtherDefects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3 TheFinalStatisticsandDefectCorrelations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.4 TheEvaluationoftheProcedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5 EventswithTop QuarksandPhotons 35
5.1 ThePhotonRadiationoffTop Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2 TheSignalProcess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.3 TheMonteCarloEventGeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.4 TheEventGenerationandReconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.5 TheHigh LevelObjects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.6 TheAnalysisFlow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
¯6 ThePreselectionofttγ Events 53
6.1 TheMotivationforanEventPreselection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.2 TheEventPreselectionCriteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.3 TheResultsoftheEventPreselection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
¯7 TheSelectionofttγ Events 59
7.1 TheTop QuarkAnalysisFramework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.2 TheLeptonIdentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7.2.1 LeptonClasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7.2.2 IdentificationCriteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.2.3 ResultsoftheLeptonIdentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
7.3 ThePhotonIdentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.3.1 PhotonClasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.3.2 GeneratorMatching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.3.3 ThePhotonObject . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.3.4 IdentificationCriteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
7.3.5 ResultsofthePhotonIdentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
7.4 TheParticleCorrelations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.4.1betweenPhotonsandElectrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.4.2 CorrelationsandTrackSeeds . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.4.3betweenPhotonsandJets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.4.4 CorrelationsElectronsandJets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.4.5 ResultsoftheParticleCorrelationInvestiagtions . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
8 TheEventReconstruction 93
8.1 TheIdentificationofb Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
8.2 TheJetp Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95T
8.3 TheMissingTransverseEnergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
8.4 TheKinematicEventSolutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96TABLE OF CONTENTS VII
8.5 TheCorrelationsbetweenPhotonsandReconstructedTop Quarks . . . . . . . . . . . . 100
¯8.6 TheResultsoftheIdentificationofttγ Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
¯9 TheStatisticalResultsofthettγ Analysis 103
9.1 TheMethodofDecomposingtheTotalSelectionEfficiency . . . . . . . . . . . . . . . . 103
9.2 TheApplicationoftheEstimatedLimitstothePhotonSpectra . . . . . . . . . . . . . . 107
10 ThePhotonEnergySpectra 109
10.1 TheStandardModelPhotonEnergySpectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
10.2 TheNonStandardModelPhotonEnergySpectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
10.2.1 SignalRescalingbytheBaur Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
10.3 TheLimitsontheElectromagneticChargeoftheTop Quark . . . . . . . . . . . . . . . 113
11 SummaryandConcludingRemarks 121
A BackgroundStatistics 125
A.1 TheData Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
A.2 TablesontheEventSelectionoftheBackgroundData Sets . . . . . . . . . . . . . . . . 127
B ExampleofaCMSSWConfigurationFile 133
C MathematicalDefinitions 137
ListofFigures 141
ListofTables 144
References 145
Acknowledgment 153VIII TABLE OF CONTENTSChapter1
Introduction
HE picture of the micro cosmos formed by elementary particle physics is described by a few ba
T sic principles with only a small number of constituents. This Standard Model of Particle Physics
(Standard Model, SM) groups the fundamental fermions, the quarks and leptons, by means of local
gaugesymmetrieswithrespecttotheirquantumnumbers. Herebyanelectromagneticchargeallowsfor
the electromagnetic interaction, the colour charge mediates the strong interaction, and due to the weak
isospinparticlesinteractweakly. WhilestronginteractionsaredescribedbytheQuantumchromodynam
ics (QCD) via an SU(3) gauge theory [1], the electromagnetic and weak interactions are unified in an Ref. [1]C
SU(2) ×U(1) groupbytheGlashow Salam Weinberg(GSW)theory[2]. ThelocalgaugeinvarianceL Y
Ref. [2]
of these theories implies the presence of four types of gauge bosons in total, mediating the forces be
tweenthefermions. Thesebosonscompletethelistofpresentlyknownfundamentalconstituents,which
aresummarizedinTable1.1andTable1.2givingsomeofitskeyparametersaswell. Tab.1.1
Tab.1.2
Family 1 2 3 Interaction
2q = e u−quark c−quark t−quark
3
EM,
m[MeV] 1.5−3.3 1160−1340 171200±2100
weak,
1 strongq =− e d−quark s−quark b−quark
3
m[MeV] 4.5−6.0 80−130 4130−4370
q = 0 ν ν νe μ τ
weak
−6 −6 −6m[MeV] < 2·10 < 2·10 < 2·10
− − −q =−1e e μ τ EM,
weakm[MeV] 0.511 105.658 1776.84
Table1.1: TheStandardModelofParticlePhysicscomprisesthreefamiliesofquarksandleptons. Thetablegives
informationaboutthemassmandtheelectromagneticchargeq(inmultiplesofthepositronchargee)
of the particles as well as about the kind of interaction, in which they participate. The upper limits on
the neutrino masses are determined by the beta decay of tritium for ν and forν andν by the masse μ τ
2 −3 2differencesΔm whicharemaximallyattheorderof10 eV . Alldataareextractedfrom[3].
Although the Standard Model has been checked at numerous occasions (see for instance [4] and [5]), Ref. [4]
this ordering scheme of nature still gives rise to a variety of questions, like the number of fermions, the
Ref. [5]
solutiontothehierachy problemoragrandunificationoftheforces. Thelasttwoproblemsaredirectly
connected to searches for extensions of the Standard Model. A Minimal Supersymmetric Standard
1

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