Kinematic reconstruction of tau leptons and test for lepton universality in charged weak interactions with the CMS experiment [Elektronische Ressource] / Philip Sauerland

Philip Sauerland

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 27
• Langue: Deutsch
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Extrait

Kinematic Reconstruction of Tau Leptons
and Test for Lepton Universality in Charged
Weak Interactions with the CMS Experiment
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 Philip Sauerland
aus Gütersloh
Berichter: Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Achim Stahl
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Thomas Hebbeker
Tag der mündlichen Prüfung: 15. April 2011
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek
online verfügbar.Zusammenfassung
Im Standardmodell der Teilchenphysik ist die Kopplung aller drei Leptonfamilien an den
schwachen Strom gleich stark. Die besten Messungen der Leptonuniversalität in W -Zer-
fällen stammen von den vier Experimenten am Large Electon-Positron Collider (LEP). Ver-
gleicht man die Kopplungen von Myonen und Tau-Leptonen an den schwachen geladenen
Strom, so ergibt sich zwischen der Vorhersage des Standardmodells und der LEP-Messung
eine Diskrepanz von fast drei Standardabweichungen. Dieser Effekt kann durch theoretische
Modelle beschrieben werden, die neue physikalische Prozesse jenseits des Standardmodells
vorhersagen, sofern es sich nicht um eine statistische Fluktuation handelt.
Der Large Hadron Collider (LHC) am Europäischen Zentrum für Teilchenphysik (CERN)
bietet hervorragende Möglichkeiten, die geladenen Eichbosonen der schwachen Wechsel-
wirkung zu studieren. Die erwarteten Ereignisraten und Kollisionsenergien übertreffen alle
bisherigen Beschleunigerexperimente. Diese Arbeit legt eine Analyse zur Untersuchung von
Leptonuniversalität mit dem Compact Muon Solenoid Experiment (CMS) am LHC vor. Die
Analyse beschränkt sich auf die Zerfälle von W -Bosonen in Leptonen der zweiten und
dritten Generation. Zu diesem Zweck werden simulierte Proton-Proton-Kollisionen unter-
sucht.
Am LHC ist die Identifizierung und Rekonstruktion von Tau-Leptonen eine komplexe Auf-
gabe. Häufig ist die erreichbare Auflösung des Tau-Impulses durch die Verwendung einer
kollinearen Näherung begrenzt. Eine kinematische Anpassung spezifischer Tau-Zerfälle
kann die Auflösung verbessern und eine effiziente Untergrundunterdrückung ermöglichen.
In dieser Arbeit wird die Rekonstruktion von Tau-Leptonen im Zerfallt! 3p +n anhandt
von kinematischen Zerfallseigenschaften entwickelt. Dieser Ansatz ist nicht auf die Analyse
von Leptonuniversalität begrenzt, sondern kann in einer Vielzahl von Physikanalysen und
für eines breites Energiespektrum der Tau-Leptonen verwendet werden.
Diese Arbeit beschreibt die Ereignistopologie von leptonischen W -Zerfällen, anhand derer
zwei Selektionen für W ! tn- und W ! mn-Zerfälle entwickelt werden. Die Selektion
der W ! tn-Zerfälle setzt dabei die kinematische Rekonstruktion der Tau-Leptonen ein.
Es wird eine Online-Selektion vorgestellt, die unabhängig vom leptonischen Endzustand
verwendet werden kann. Die anschließende Ereignisselektion der W -Zerfälle geschieht
mit Hilfe zerfallsspezifischer Ereignisvariablen. Diese Selektionskriterien werden detailliert
vorgestellt. Ihr Effekt auf das Signal und auf Untergrundprozesse wird studiert. Die so
erhaltenen Effizienzen und Reinheiten werden als Eingangsgrößen für die Untersuchung der
Leptonuniversalität verwendet. Statistische und systematische Effekte werden diskutiert.
Die Sensitivität des CMS-Experiments auf die Untersuchung von Leptonuniversalität wird
für ein Szenario mit abgeschätzten systematischen Unsicherheiten angegeben.
iiiAbstract
The Standard Model of Particle Physics (SM) postulates the universal coupling of the three
lepton families to the weak current. The most precise measurement of lepton universality in
W decays comes from the four experiments at the Large Electon-Positron Collider (LEP). If
one compares the couplings of muons and tau leptons to the charged weak current, there is a
discrepancy of nearly three standard deviations w.r.t. the SM expectation. There are models
beyond the SM, which could explain the violation of lepton universality with new physics
processes, if it is more than a statistical fluctuation.
The Large Hadron Collider (LHC) offers a great opportunity to study decays of the charged-
weak gauge bosons at very high event rates and at unmatched collision energies. This thesis
presents an analysis strategy to test lepton universality with the Compact Muon Solenoid ex-
periment (CMS) at the LHC. The analysis focusses on the decays of the W boson to particles
of the second and third lepton family. For this purpose detector-simulated proton-proton
events are used.
The identification and reconstruction of tau leptons is a difficult task at the LHC. The recon-
struction is often restricted by the limited precision of the commonly used collinear approxi-
mation. The application of a kinematic fit to particular tau-decay modes can improve the ex-
perimental resolution and provides an efficient background suppression. The development
of such a fit with kinematic constraints derived from the topology of the decayt! 3p +nt
is described. The fit of tau leptons is not limited to the test for lepton universal-
ity, but can be deployed by various physics analyses in a broad energy range of the tau
leptons.
The event topology of W decays with leptonic final states is studied. Two event selections
are developed: one for the W ! tn and one for the W ! mn decay. A common online
selection is proposed, which is independent of the leptonic final state of the W bosons.
The selection of W ! tn events uses the developed kinematic fit of tau leptons. The
selection of W -boson decays is done by a set of requirements on decay-specific event char-
acteristics. Each of these criteria is introduced, and its impact on the selection of signal and
background processes is reviewed. The efficiencies and purities are derived, and statistical
and systematic uncertainties are discussed. The sensitivity of CMS to lepton universality is
estimated.
vContents
Abstract v
1. Introduction 1
1.1. The Standard Model of Particle Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Lepton Universality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2. The Large Hadron Collider and the CMS Experiment 7
2.1. The Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2. The Compact Muon Solenoid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1. Trigger System and Data Aquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3. Event Simulation and Reconstruction 17
3.1. Technical Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2. Event Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3. Detector Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.4. Event Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4. Kinematic Reconstruction of Tau Leptons 25
4.1. Kinematics of Multi-Prong Tau Lepton Decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1.1. Tau Lepton Decay Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1.2. Kinematic Calculation of the Tau Momentum . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1.3. Accessible Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2. Least Mean Squares Minimization with Lagrange Multipliers . . . . . . . . . 38
4.2.1. Basic Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.2. Iterations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2.3. Unmeasured Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3. Kinematic Fit of Tau Leptons on Monte Carlo Level with CMS . . . . . . . . . 40
4.3.1. Standard Tau Reconstruction at CMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3.2. Kinematic Fit Workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3.3. Quality Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3.4. Monto Carlo Truth Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3.5. Efficiency of the Kinematic Tau Lepton Identification . . . . . . . . . . 56
4.3.6. Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4. Technical Implementation in the CMS Software Framework . . . . . . . . . . 63
4.4.1. TheInputTrackSelector and theThreeProngInputSelector . 63
4.4.2. TheKinematicTauCreator and theThreeProngTauCreator . . 65
4.4.3. TheKinematicTauProducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
viiviii Contents
5. Leptonic W-Boson Decays 67
5.1. Event Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2. The Decay W! tn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2.1. Event Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2.2. Background Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2.3. Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3. The Decay W! mn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3.1. E