Commissioning of the CMS muon detector and development of generic search strategies for new physics [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Philipp Alexander Biallass

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 4
• Langue: English
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Extrait

Commissioning of the CMS Muon
Detector and Development of Generic
Search Strategies for New Physics
Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften
der RWTH Aachen University zur Erlangung des akademischen Grades
eines Doktors der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Physiker
Philipp Alexander Biallass
aus Duisburg
Berichter: Univ.-Prof. Dr. Thomas Hebbeker
Univ.-Prof. Dr. Christopher Wiebusch
Tag der mündlichen Prüfung: 27.03.2009
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.Contents
Preface and Abstract 1
1 Theoretical Foundations 3
1.1 Theoretical framework of particles and interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Notationsandconventions........................... 3
1.1.2 TheStandardModel.............................. 4
1.2 ExtensionsoftheStandardModel .......................... 9
1.2.1 ProblemsoftheStandardModel....................... 9
1.2.2 Commonmodelsofnewphysics........................ 10
1.3 Hadron collider physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4 Importantquantitiesofhighenergyphysics..................... 21
1.4.1 Thecoordinatesystemandkinematicquantities............... 21
1.4.2 The kinematic variables p andMET .................... 21T
1.4.3 Luminosityandcrossection......................... 2
2 LHC and the CMS-Detector 25
2.1 The Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 TheCMSdetector................................... 29
2.2.1 Theinnertrackingsystem........................... 31
2.2.2 Theelectromagneticcalorimeter ....................... 3
2.2.3 Thehadroniccalorimeter ........................... 36
2.2.4 The superconducting magnet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.5 Themuonsystem................................ 40
2.2.6 Trigger...................................... 46
2.2.7 Luminositymeasurement ........................... 47
I Commissioning of the CMS Muon Detector 49
.1 Commissioning with Cosmic Ray Muons 51
.1.1Introductionandmotivation.............................. 51
.1.2TheMTCCsetupandtheCMSmuonsystem.................... 52
.2 Simulating Cosmic Ray Muons 55
.2.1CMSCGEN–AnewcosmicMonteCarlogeneratorforCMS ........... 5
.2.2Kinematicalrange ................................... 57Contents
.2.3 Generator level preselection using straight line extrapolations . . . . . . . . . . . 58
.2.4Normalizationofthecosmicmuonflux........................ 59
.3 Data and Monte Carlo Samples Used 61
.4 Calibration and Synchronization 65
.4.1Calibrationofthedata................................. 65
.4.2CalibrationofMonteCarloevents .......................... 6
.5 Reconstruction of Cosmic Ray Muons 69
.5.1Localreconstructionatchamberlevel......................... 69
.5.2Eventbasedcorrection................................. 71
.5.3ModelingtheDT-triggersetupfortheMonteCarloevents............. 72
.5.4Cosmictrack-reconstructioncombiningchambers.................. 73
.6 Results and Summary 77
.6.1Resultsfromlocalreconstruction........................... 78
.6.2Resultsfromcosmictrack-reconstruction....................... 82
.6.3Multiplescatering,chargeratioandrateestimates................. 89
.6.3.1Theeffectofmultiplescatering........................ 89
.6.3.2Measuringthechargeofcosmicmuons.................... 90
.6.3.3Comparisonofmeasuredandpredictedrates ................ 92
.6.4Summaryandconclusions............................... 94
II Generic Searches for New Physics 95
.1 The Concept of Model Independent Searches 97
.1.1Introductoryremarks.................................. 97
.1.2Theconceptofmodelindependentsearches..................... 98
.2 The Technical Setup 103
.2.1CMSsoftwareandsimulatedsamples.........................103
.2.2FrameworkandworkflowofMUSiC..........................104
.3 Selection and Trigger Criteria 107
.3.1Selectioncriteria....................................107
.3.1.1Muons......................................108
.3.1.2Electrons....................................108
.3.1.3Photons.....................................10
.3.1.4Jets.......................................13
.3.1.5Missingtransverseenergy...........................114
.3.1.6 Suppression of instrumental backgrounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
.3.2HighLevelTriger...................................15
.4 The Search Algorithm 117
.4.1 Steps of the algorithm and probability definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
.4.2Sensitivitystudywithsimulatedevents........................121Contents
.4.3Producingpseudo-data.................................121
.4.4 Discussion of methods for calculating the statistical significance . . . . . . . . . . 123
.5 Systematic Uncertainties and Data-driven Methods 125
.5.1Systematicuncertainties................................125
.5.2QCDbackgroundestimationfromdata........................129
.6 Results and Summary 133
.6.1Results..........................................13
.6.1.1MUSiCtimeline ................................13
.6.1.2Physicscommisioning.............................134
.6.1.3Unexpectedsignal...............................137
.6.1.4SUSYsensitivityinmSUGRAmodels....................140
.6.1.5 Statistical interpretation of all event classes together . . . . . . . . . . . . 147
.6.2Summaryandconclusions...............................149
III Global Summary 151
A Muon Flux Parameterization 155
B Cross Sections 157Zusammenfassung
Titel der Arbeit: Inbetriebnahme des CMS Myon Detektors und Entwicklung einer
generischen Suchstrategie nach neuer Physik
Der Nachweis und die Rekonstruktion kosmischer Myonen sind essentiell für die Inbetriebnahme
und das Alignment des Compact Muon Solenoid Experimentes (CMS), sowohl in der Zeit vor
als auch während der ersten Proton-Proton Kollisionen. In diesem Zusammenhang war der
Magnet Test/Cosmic Challenge (MTCC) eine Art Generalprobe für die Detektor-Hardware und
die Rekonstruktions-Software. Es wurden hierfür umfassende Datennahmen kosmischer Myonen
durchgeführt und auch erstmals das enorme Magnetfeld angeschaltet. Ein zentraler Punkt einer
physikalischen Datenanalyse ist immer auch der Vergleich mit simulierten Ereignissen. Im ersten
Teil dieser Arbeit wird daher ein neuer kosmischer Myon-Generator vorgestellt, CMSCGEN.
Seine Richtigkeit wird an Hand von Vergleichen mit Daten vom MTCC durchgeführt und es
werden hierfür erstmals Daten-Monte Carlo Vergleiche mit dem zentralen Myon System gezeigt,
angefangen von einzelnen Zelltreffern bis hin zu ersten rekonstruierten Spurmessungen mit Im-
pulsvorhersage.
Da Leptonen (Elektronen, Myonen) sehr klare Signaturen für Signale neuer Physik haben, sind
diese Detektortest- und Alignment-Strategien auch unerlässlich für die meisten Physik-Analysen.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wird eine modellunanhängige Suchstrategie für Signale neuer Physik
in CMS vorgestellt, ein Ansatz der Ereignisse mit Leptonen benutzt und nur die Kenntnis des
Standard Modell Untergrundes voraussetzt. Durch diese Vermeidung einer theoretischen Vor-
eingenommenheit ist man so sensitiv auf eine Vielzahl von Modellen, inklusive solcher noch
nicht erfundener Szenarien. In dieser Machbarkeitsstudie werden die Ereignisse geordnet anhand
des Teilcheninhaltes (Myonen, Elektronen, Photonen, Jets, fehlende Energie) und in sogenan-
nten Ereignisklassen gruppiert. Ein umfassender Scan verschiedener kinematischer Verteilungen
wird durchgeführt, in dem signifikante Abweichungen vom SM Monte Carlo identifiziert werden.
Hierbei wird die Wichtigkeit der systematischen Unsicherheiten betont, die sorgfältig im Suchal-
gorithmus berücksichtigt und eingebaut werden. Mehrere theoretische SM Erweiterungen wie
z.B. Supersymmetrie und neue schwere Eichbosonen werden untersucht, genauso wie mögliche
Detektor-Effekte und Generator-Schwierigkeiten. All diese Beispiele demonstrieren die weiten
Anwendungsmöglichkeiten dieses Such-Algorithmus und sie zeigen auf, wie dieser Ansatz die
eher traditionellen Modell-spezifischen Suchen ergänzt.Preface and Abstract
In the history of mankind major scientific progress has often been linked to important technolog-
ical developments changing the face of the earth. The exploration of electricity and magnetism
lead to the invention of light bulbs and electric transformators which both can be regarded
as foundations of our modern life style. In some cases the link between fundamental physics
progress and benefit for the whole mankind is not as clear as in the examples just mentioned.
While the theories of special relativity and quantum mechanics revolutionized our understanding
of the very basic laws of nature there was no foreseeable technological and economical benefit
at the time of their invention. Still without these theories modern satellite communication and
semiconductor technology, essential for computers and thus the internet, would not be possible.
In the past centuries the understanding of the most fundamental laws of nature, the various
particle species and their interactions via forces, has reached an unprecedented level of precision.
The Standard Model (SM) of particle physics is able to describe the complexity of nat