Prospects for measuring the differential high p_1tnT b-jet cross section with the ATLAS detector [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Kai Grybel

Kai Karsten Grybel

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• Publié par: universitat_siegen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 11
• Langue: English
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Extrait

Prospects for Measuring the Differential High pT
b-Jet Cross Section with the ATLAS Detector
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
vorgelegt von
Diplom-Physiker Kai Karsten Grybel
geb. am 30.07.1977 in K¨oln
eingereicht beim Fachbereich Physik
der Universit¨at Siegen
Dezember 2010II
Gutachter der Dissertation: Prof. Dr. P.Buchholz
Prof. Dr. C.Grupen
Datum der Disputation: 21. Januar 2011III
Abstract
Currently, theLargeHadronCollider(LHC)atCERNinGenevaacceleratesprotons√
up to an energy of 3.5TeV resulting in collisions of a center-of-mass energy of s =
7TeV. To study the production ofb-quarks in proton-protoncollisions is part ofthe
physics program of the ATLAS experiment, which is one of the experiments at the
LHC. The b-quarks produced in the hard scattering of the protons are measured as
jets in the ATLAS detector. The aim of this PhD thesis is to study prospects of a
differential p b-jet cross section measurement in the jetp range ofp > 30GeV.T T Tjet
This study is based onsimulated Monte Carlo(MC)dataassuming acenter-of-mass√
energy of s= 10TeV.
The trigger selection is based on a combination of single jet triggers considering
the different prescale factors of the different jet triggers. The MC data samples
contain signal b-jets and background jets from other QCD physics processes in the
proton-protoncollision. In order to identify the b-jets and to reject background jets,
b-tagging algorithms based on the on average longer lifetime of particles containing
a b-quark compared to other hadrons, which decay before reaching the detector, are
used. Since the b-tagging performance is not uniform over the jet p region con-T
sidered, different b-tagging efficiency scenarios are studied. The jet p independentT
b-tagging efficiency scenarios of ǫ = 0.5 and ǫ = 0.6 as well as an optimizedTag Tag
b-tagging efficiency scenario in order to minimize the statistical uncertainty of the
measurement in each jet p bin are presented.T
Anunfoldingalgorithmisappliedtothemeasuredb-jetspectrum inordertocorrect
for detector effects due to the measuring process. The expected systematic uncer-
tainties fordifferent jetp regions are studied and anestimate forthe evolvement ofT
the statistical uncertainties asa functionofthe integrated luminosity is given. Once
−1an integrated luminosity of at least 100pb has been collected the differential b-jet
cross section at the ATLAS experiment can be measured up to p < 750GeV.Tjet
−1For 750GeV < p < 1.1TeV an integrated luminosity of approximately 400pbTjet
is needed to reduce the statistical uncertainty to the level of the systematic uncer-
tainty. Thesystematic uncertainty isdominatedbytheuncertainty ofthejetenergy
scale calibration of the calorimeters. The systematic uncertainties vary from about
25% in the lower jet p region to about 50% in the higher jet p region.T TIV
Zusammenfassung
Gegenw¨artig werden am Large Hadron Collider (LHC) am CERN bei Genf Proto-
nen auf eine Energie von 3.5TeV beschleunigt und bei einer daraus resultierenden√
Schwerpunktsenergie von s = 7TeV zur Kollision gebracht. Die Untersuchung
von b-Quarks in den Proton-Proton-Kollisionen sind ein Teil der physikalischen
Fragestellungen, denen am ATLAS-Experiment am LHC nachgegangen wird. Die
b-Quarks, die im harten Streuprozess der Protonen produziert werden, werden als
Teilchenstrahlbu¨ndel (Jets) im Detektor registriert und vermessen. In dieser Dok-
torarbeit wird eine Messung des differentiellen p -Wirkungsquerschnittes von b-JetsT
mit p > 30GeV vorbereitet. Die Studie basiert auf Monte Carlo (MC) gener-TJet √
iertenEreignissen, beieiner angenommenen Schwerpunktsenergie von s= 10TeV.
Bei der Selektion der Ereignisse wa¨hrend der Datennahme (Trigger-Selektion) wer-
den Jet-Signaturen im Detektor verwendet, wobei bei der Kombination der Jet-
Triggerverschiedene Prescale-Faktorenzuberu¨cksichtigen sind. Diegenerierten MC
Ereignisse beinhalten sowohl b-Jet-Signalereignisse wie auch Untergrundereignisse,
die aus weiteren QCD-Prozessen in den Proton-Proton-Kollisionen stammen. Zur
Identifikationvonb-JetssowiezumUnterdru¨ckenvonUntergrundereignissen werden
b-Tagging-Algorithmen verwendet, die auf der im Durchschnitt l¨angeren Lebens-
dauer von b-Quark-haltigen Hadronen, verglichen mit anderen Hadronen, die zer-
fallen bevor sie den Detektor erreichen wu¨rden, beruhen. Die Gu¨te der Sepa-
ration des Signals vom Untergrund mit Hilfe dieser Algorithmen ist vom betra-
chteten Jet-p -Bereich abh¨angig. Aus diesem Grunde werden Szenarien mit ver-T
schieden gewa¨hlten b-Tagging-Effizienzen untersucht. Zum einen werden Szenar-
ien mit einer u¨ber den betrachteten Jet-p -Bereich konstanten b-Tagging-EffizienzT
von ǫ = 0.5 sowie ǫ = 0.6 verwendet und zum anderen wird eine optimierteTag Tag
b-Tagging-Effizienz untersucht, die die statistische Unsicherheit pro betrachtetem
Jet-p -Bereich minimiert.T
Das gemessene b-Jet-Spektrum wird entfaltet, um auf Detektoreffekte, die beim
Messprozess auftreten, zu korrigieren. Die systematischen Unsicherheiten der Mes-
sungdesdifferentiellenb-Jet-WirkungsquerschnittesindeneinzelnenJet-p -Bereich-T
en sowie die zu erwarteten statistischen Unsicherheiten der Messung als Funktion
der integrierten Luminosit¨at werden abgesch¨atzt.
Bereits mit einem Datensatz entsprechend einer integrierten Luminosita¨t von etwa
−1100pb wirdesmo¨glichsein, dendifferentiellen Wirkungsquerschnitt biszup <Tjet
750GeV zu messen. Fu¨r den Jet-p -Bereich von 750GeV < p < 1.1TeV wirdT Tjet
−1eine Datenmenge von ungef¨ahr 400pb ben¨otigt, um den Wirkungsquerschnitt mit
einerstatistischenUnsicherheitzumessen,dieinetwadererwartetensystematischen
Unsicherheit der Messung entspricht. Die systematischen Unsicherheiten variieren
dabei von ca. 25% im niedrigeren Jet-p -Bereich, bis hin zu ca. 50% im h¨oherenT
Jet-p -Bereich.TContents
1 Introduction 1
2 ATLAS Experiment 3
2.1 ATLAS Units and Coordinate System . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Inner Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2.1 Pixel Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.2 Semiconductor Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.3 Transition Radiation Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Calorimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.1 Electromagnetic Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.2 Hadron Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4 Forward Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.5 Muon System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.6 Magnet System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.7 Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.7.1 Level 1 Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.7.2 High Level Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
¯3 Theory of bb Production 19
3.1 Standard Model of Elementary Particle Physics . . . . . . . . . . . . 19
¯3.2 Inclusive Production of bb Quarks in pp-Collisions . . . . . . . . . . . 22
3.3 b-Jets. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
¯3.4 Theoretical bb Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
¯4 bb Cross Section Measurements 29
4.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.2 Current Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3 Strategy of the differential p b-Jet Cross Section Measurement . . . 31T
5 Monte Carlo Event Sample 33
5.1 Simulation of Monte Carlo Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.1.1 Pythia Event Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.1.2 Detector Simulation using Geant4 . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.1.3 Digitization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2 Simulation of QCD-Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2.1 Weighting of Simulated Events . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
VVI Contents
5.2.2 Labeling of (Leading) b-Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.2.3 b-Jet Cross Section and QCD-Jet Background . . . . . . . . . 39
6 Offline Reconstruction of Event Data 41
6.1 Jet Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.2 Track Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.3 Primary Vertex Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7 Luminosity Determination 57
7.1 Luminosity of a Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7.2 Measurements of the Luminosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7.2.1 DeterminationoftheLuminosityfromLHCMachineParameters 60
7.2.2 Absolute Luminosity Measurement . . . . . . . . . . . . . . . 62
7.2.3 Relative Luminosity Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7.2.4 Offline Luminosity Determination . . . . . . . . . . . . . . . . 64
8 Measurement of the Differential b-Jet Cross Section 65
8.1 Trigger Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
8.2 b-Jet Reconstruction . . .