Development of a data-driven algorithm to Determine the W+Jets background in tt̄ - events in ATLAS [Elektronische Ressource] / von Sascha Mehlhase

Sascha Mehlhase M.Sc.

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• Physik

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• Publié le: 01 janvier 2010
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Extrait

Development of a Data-Driven Algorithm
¯to Determine the W+Jets Background in tt Events
in ATLAS
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen Grades
Dr. rer. nat.
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Wissenschaftlichen Fakultät I
Humboldt-Universität zu Berlin
von
Sascha Mehlhase M.Sc.
geboren am 12.04.1981 in Berlin
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Dr. h.c. Christoph Markschies
Dekan der Mathematisch-Wissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Andreas Herrmann
Gutachter:
1. Prof. Dr. Hermann Kolanoski
2. Dr. Ulrich Husemann
3. Prof. Dr. Wolfgang Wagner
eingereicht am: 31. Mai 2010
Tag der mündlichen Prüfung: 12. Juli 2010Studies presented in this thesis are or will be part of the following notes/papers:
• G. Aad et al. (ATLAS Collaboration). Expected Performance of the ATLAS Exper-
iment - Detector, Trigger and Physics. CERN, Geneva, 2009
• ATLAS Pixel Collaboration. Commissioning of the ATLAS Pixel Detector. Techni-
cal Report ATL-COM-INDET-2010-???, CERN, Geneva, in preparation
• J. Dopke et al. (ATLAS Pixel Collaboration). Commissioning of the ATLAS Pixel
Optical Readout Link. Technical Report ATL-COM-INDET-2010-047, CERN, Ge-
neva, Mar 2010. Internal note
• ATLAS Pixel Collaboration. A Summary of Thermal Measurements from the Pixel
Commissioning Program of 2008. Technical Report ATL-COM-INDET-2010-???,
CERN, Geneva, in preparation. Internal note
AThis thesis was typeset with LT X/pdfT X.E E
c Sascha Mehlhase, 2010.
Published at the Humboldt-Universität zu Berlin, Berlin, Germany.Abstract
The physics of the top quark is one of the key components in the physics programme
of the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider at CERN.
In this thesis, general studies of the jet trigger performance for top quark events using
fully simulated Monte Carlo samples are presented and two data-driven techniques to
estimate the multi-jet trigger efficiency and theW+Jets background in top pair events
are introduced to the ATLAS experiment.
In a tag-and-probe based method, using a simple and common event selection and a
high transverse momentum lepton as tag object, the possibility to estimate the multi-
jet trigger efficiency from data in ATLAS is investigated and it is shown that the
method is capable of estimating the efficiency without introducing any significant bias
by the given tag selection.
In the second data-driven analysis a new method to estimate the W+Jets background
in a top-pair event selection is introduced to ATLAS. By defining signal and back-
ground dominated regions by means of the jet multiplicity and the pseudo-rapidity
distribution of the lepton in the event, the W+Jets contribution is extrapolated from
the background dominated into the signal dominated region. The method is found to
estimate the given background contribution as a function of the jet multiplicity with
an accuracy of about 25% for most of the top dominated region with an integrated
√−1luminosity of above 100 pb at s = 10 TeV.
This thesis also covers a study summarising the thermal behaviour and expected per-
formance of the Pixel Detector of ATLAS. All measurements performed during the
commissioningphaseof2008/09yieldresultswithinthespecificationofthesystemand
the performance is expected to stay within those even after several years of running
under LHC conditions.
vZusammenfassung
Die Physik des Top-Quarks ist eine Schlüsselkomponente im Forschungsprogramm des
ATLAS-Experiments am CERN.
In dieser Arbeit werden Untersuchungen zur Leistungfähigkeit von Jet-Triggern für
Top-Quark-Ereignisse präsentiert und zwei datenbasierte Methoden zur Abschätzung
der Multijet-Triggereffizienz und desW+Jets-Untergrundes in Top-Quark-Ereignissen
in ATLAS eingeführt.
In einer tag-and-probe Methode, basierend auf einer einfachen und allgemeinen Ereig-
nisselektion und einem hochenergetischen Lepton als Tag, wird die Möglichkeit zur
Bestimmung der Multijet-Triggereffizienz aus Daten heraus evaluiert, und es wird ge-
zeigt, dass die Methode in der Lage ist, die Effizienz ohne signifikante Verfälschung
durch die Tag-Selektion zu bestimmen.
In der zweiten datenbasierten Analyse wird eine neue Methode zur Abschätzung des
W+Jets-Untergrundes in ATLAS eingeführt. Durch die Definition von signal- und un-
tergrunddominierten Bereichen in Jet-Muliplizität und Pseudorapidität des Leptons
wird der Anteil derW+Jets-Ereignisse aus der untergrunddominierten in die signaldo-
minierte Region extrapoliert. Es wird gezeigt, dass die Methode, mit einer integrierten
√−1Luminosität von 100 pb bei s = 10 TeV, in der Lage ist den Untergrundbeitrag
als Funktion der Jet-Muliplizität mit etwa 25% Genauigkeit im Großteil der signaldo-
minierten Region zu bestimmen.
DieseArbeitumfaßtzudemeineStudiezumthermischenVerhaltenunddererwarteten
thermischen Leistung des Pixel-Detektors in ATLAS. Alle Messungen, durchgeführt
während der Inbetriebnahme des Systems in 2008/09, zeigen Ergebnisse innerhalb
der Spezifikationen beziehungweise deuten auf deren Einhaltung auch nach mehreren
Betriebsjahren unter LHC-Bedingungen hin.
viiContents
1. Introduction 1
2. Theoretical Overview 3
2.1. Physics of the Top Quark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1. Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2. Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.3. Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2. Signatures of Signal and Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1. Top-Antitop Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2. W+Jets Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.3. Single-Top Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.4. QCD-Multi-jet Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.5. Z+Jets Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3. Experimental Environment 19
3.1. The Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2. The ATLAS Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.1. Detector Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.2. Geometry and Coordinate System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.3. Magnet System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2.4. Inner Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2.5. Calorimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.6. Muon System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.7. Forward Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.8. Trigger System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4. Monte Carlo Samples 37
4.1. Event Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2. Detector Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3. Event Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4. PDF Re-weighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4.1. Re-weighting between PDF Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.4.2. Re-weighting between Energies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.5. Specific Monte Carlo Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.5.1. Top-Antitop Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.5.2. W+Jets Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.5.3. Z+Jets Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.5.4. Single-Top Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.5.5. QCD-Multi-jet Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
ixContents
5. Event Reconstruction and Selection 45
5.1. Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.2. Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.3. Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.4. Missing Transverse Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.5. Object Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.6. Preselection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.7. Trigger Efficiencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6. Trigger Studies for Top-Antitop Events 57
6.1. Jet Triggers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.2. Trigger Item Overlap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.3. T Efficiencies from Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.3.1. Tag-and-Probe ethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.3.2. (Multi-)Jet Trigger Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
7. Estimation of the W+Jets Background in Top-Antitop Events 73
7.1. Method Overview . . . . . . . . . . . . . . . .