TeV jets at ATLAS [Elektronische Ressource] : a probe for new physics / presented by Frederik Rühr

Dissertationsubmitted to theJoint Faculties for Natural Sciences and Mathematicsof the Ruperta Carola Universityof Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byDipl. Phys. Frederik Ruhrborn in Coburg, GermanyOral Examination: 29. January 2009TeV Jets at ATLAS- A Probe for New PhysicsReferees: Prof. Dr. Karlheinz MeierProf. Dr. Carlo EwerzTeV Jets bei ATLAS und die Suche nach neuer PhysikDie Erzeugung von Teilchenjets ist der dominante physikalische Prozess amLarge Hadron Collider (LHC) und wird entweder als Signal oder Untergrundeinen hohen Stellenwert fur viele Analysen einnehmen. Aus diesem Grund istdie pr azise Messung von Jets eine wichtige Vorraussetzung fur m ogliche Ent-deckungen jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik. Der erste Teildieser Arbeit stellt eine neue Methode vor, mit der die Jet-Energieskala imTeV Bereich bereits mit ersten ATLAS Daten kalibriert werden kann. Dabeiwird der hohe Jet-Wirkungsquerschnitt fur eine Interkalibration benutzt.Das darauf folgende Thema ist die Uberprufung der Gultigk eit der Quan-tenchromodynamik mittels inklusiver Jet-Messungen. Mehrere Analysean-atzes werden anhand von simulierten Daten vorgestellt. Zuerst dient dabeieine e ektive Theorie einer inneren Quarkstruktur als Ma fur die Sensi-tivit at auf neue Physik.
Publié le : jeudi 1 janvier 2009
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Dissertation
submitted to the
Joint Faculties for Natural Sciences and Mathematics
of the Ruperta Carola University
of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Dipl. Phys. Frederik Ruhr
born in Coburg, Germany
Oral Examination: 29. January 2009TeV Jets at ATLAS
- A Probe for New Physics
Referees: Prof. Dr. Karlheinz Meier
Prof. Dr. Carlo EwerzTeV Jets bei ATLAS und die Suche nach neuer Physik
Die Erzeugung von Teilchenjets ist der dominante physikalische Prozess am
Large Hadron Collider (LHC) und wird entweder als Signal oder Untergrund
einen hohen Stellenwert fur viele Analysen einnehmen. Aus diesem Grund ist
die pr azise Messung von Jets eine wichtige Vorraussetzung fur m ogliche Ent-
deckungen jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik. Der erste Teil
dieser Arbeit stellt eine neue Methode vor, mit der die Jet-Energieskala im
TeV Bereich bereits mit ersten ATLAS Daten kalibriert werden kann. Dabei
wird der hohe Jet-Wirkungsquerschnitt fur eine Interkalibration benutzt.
Das darauf folgende Thema ist die Uberprufung der Gultigk eit der Quan-
tenchromodynamik mittels inklusiver Jet-Messungen. Mehrere Analysean-
atzes werden anhand von simulierten Daten vorgestellt. Zuerst dient dabei
eine e ektive Theorie einer inneren Quarkstruktur als Ma fur die Sensi-
tivit at auf neue Physik. Abschlie end wird ein weiteres Modell hinzugezogen,
das m ogliche Auswirkungen von Quantengravitation unter Beruc ksichtigung
zus atzlicher Raumdimensionen beschreibt. Dies unterstreicht die Bedeutung
der Messung von Jets als ein wichtiges Werkzeug zur Untersuchung der Quan-
tenchromodynamik und neuer Physik.
TeV Jets at ATLAS - A Probe for New Physics
The production of particle jets will be the dominant process at the Large
Hadron Collider (LHC), and jets will thus be the signal or de ne the envi-
ronment of many analyses at the ATLAS experiment. Their precise mea-
surement is a vital requirement for many potential discoveries of new physics
beyond the Standard Model. The rst part of this thesis introduces a new
method to constrain and correct errors of the energy measurement of jets
in the TeV regime. The emphasis is on a very high reach in transverse jet
momenta even with earliest ATLAS data. This is achievable by an inter-
calibration utilizing the large inclusive jet production cross section.
In the second part inclusive jet measurements are used to probe the va-
lidity of Quantum Chromodynamics (QCD). Several analyses are presented
and their sensitivity is estimated using simulated data of an e ective theory
of a possible quark substructure. The search is then extended to e ects of
quantum gravity that could emerge at the LHC in scenarios of new physics,
demonstrating that inclusive jet measurements are a powerful tool to probe
QCD and a broad range of new physics models.iiContents
1 Introduction 1
2 Physics at the TeV-Scale 3
2.1 The Standard Model of Particle Physics . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 The Higgs Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 The Hierarchy Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Feynman Diagrams and Process Amplitudes . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Beyond the Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.1 Quark Compositeness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.2 Large Extra Dimensions and Micro Black Holes . . . . . . . 10
2.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 The ATLAS Experiment at the Large Hadron Collider 15
3.1 The Large Hadron Collider at CERN . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 The ATLAS Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.1 Inner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.2 ATLAS Calorimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.3 Muon System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.4 The ATLAS Trigger System . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4 Jets at ATLAS 27
4.1 Jet Production at the LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1.1 Hard Quark and Gluon Interactions . . . . . . . . . . . . . 28
4.1.2 From Parton to Particle Level . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2 Jet Measurement and Reconstruction at ATLAS . . . . . . . . . . 38
4.2.1 Jet Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2.2 Jet Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.3 The ATLAS Detector Simulation . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3 Jet Performance and QCD Benchmarks . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3.1 Jet Energy Scale and Resolution . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3.2 Precision of the Jet Axis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.3 Inclusive Jet Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3.4 Jet Angular Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
iiiiv CONTENTS
4.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5 In-Situ Jet Calibration at the Highest Momentum Scales 61
5.1 In-situ Studies using /Z + Jet Events . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2 Multi-Jet Bootstrapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.2 Study of the p -Balance Bias . . . . . . . . . . . . . . . . . 68T
5.2.3 Systematic E ects and their In uence on Multi-Jet Boot-
strapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2.4 Multi-Jet Bootstrapping Applied and Expected Results . . 88
5.3 Dijet Bootstrapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.3.1 Dijet Bootstrapping Applied . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6 Jets and Physics Beyond the Standard Model - Compositeness 105
6.1 Statistics Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.1.1 Con dence Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.1.2 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.2 Quark Compositeness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.2.1 Monte Carlo Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.3 Inclusive Jet Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.3.1 - t of jet spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.3.2 Analysis Prototypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.3.3 Expected Exclusion Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.4 Jet Angular Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.4.1 Fit of the Dependence of Spectra . . . . . . . . . . . . 128
6.4.2 Comparison of Analysis Prototypes . . . . . . . . . . . . . . 129
6.4.3 Exclusion Limits Using Angular Distributions . . . . . . . . 134
6.5 Discovery Reach of the Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.5.1 Basic Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.5.2 3- Evidence for Compositeness and Con dence Intervals . 144
6.6 Summary of the Expected Sensitivity to Quark Compositeness . . 146
7 Quantum Gravitational Dijet Signatures 149
7.1 General Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.1.1 Theory and Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.1.2 Exclusion Limits Based on Angular Distributions . . . . . . 153
7.1.3 Strategy for Experimental Data . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.1.4 Discovery Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.1.5 Comparison Using Based Analyses . . . . . . . . . . . . . 158
7.1.6 Study of the p Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162T
7.1.7 Alternative Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.1.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.2 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163CONTENTS v
8 Summary and Outlook 165
Bibliography 167
Acknowlegements 169vi CONTENTS

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