Studies at the CMS experiment on silicon microstrip module defects and on photon identification in semileptonic tt̄-events [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Thomas Hermanns

Thomas Hermanns

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• Physik

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 8
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 21 Mo

Extrait

StudiesattheCMSExperimenton
SiliconMicrostripModuleDefects
andon
¯PhotonIdentificationinSemileptonictt Events
VonderFakultat¨ fur¨ Mathematik,InformatikundNaturwissenschaftender
RWTH AachenUniversityzurErlangungdesakademischenGradeseines
DoktorsderNaturwissenschaftengenehmigteDissertation
vorgelegtvon
Diplom Physiker
ThomasHermanns
ausErkelenz
Berichter: Universitatsprofessor¨ Dr.JoachimMnich
Universit¨ Dr.AchimStahl
Tagdermundlichen¨ Prufung:¨ 15.Dezember2008
DieseDissertationistaufdenInternetseitenderHochschulbibliothekonlineverfugbar¨ .Abstract
The present thesis has been accomplished in the framework of the Compact Muon Solenoid (CMS)
experiment at the Large Hadron Collider (LHC). It is divided into two parts. The first one describes
the studies that have been performed by a centralized Module Debug Centre to investigate the silicon
microstrip detector modules for the CMS inner tracker endcaps that have not passed the qualification
procedure during the mass production. A scheme of seven global defect classes has been introduced.
The signatures of each class as well as the methods to sort a module into a certain class are illustrated.
In total, 225 modules have been examined and 126 of them could be repaired. No systematic source of
defectshasbeenobservedfortheentireproductionphase.
¯The second part deals with the identification of semileptonic tt events (electron and muon channel)
containing photons that are radiated off top quarks. A signature based Monte Carlo analysis reveals
¯ ¯that the separation of the tt events from the non t t background (W + Jets, Z + Jets, di boson, γ +Jets,
and QCD multijet events) is possible. The resulting photon energy spectra are dominated by photons
¯radiatedofftop quarks. Thesituationchangesconsiderablyiffurthermoreaninclusivet t+Jets data set
is included. The semileptonic fraction has the same event signature as the signal events. Due to the
0irreducible background from the decayπ → γγ possibly being part of the hadronic structure of these
eventstheenergyspectraarenowmainlyformedbythelatterphotons. Asignal to backgroundratioof
1/46(electronchannel)and1/31(muonchannel)canbeachieved.
¯Ifthett+Jets eventsarenotconsideredasbackgroundbutreplacethesignaldata setbecauseofa10%to
15%admixtureofphotonsthatareradiatedofftop quarksintheseevents,afirststudyonthedistinction
between a top quark with an electromagnetic charge of 2 /3e and−4/3e has been implemented. It is
shownthatthepotentialexiststodirectlymeasurethe value ofthis electromagnetic couplingparameter
1ofthetop quarkwithafew10fb ofLHCcollisiondataattheCMSexperiment.
IIIKurzfassung
Die vorliegende Arbeit ist im Rahmen des Compact Muon Solenoid (CMS) Experiments angefertigt
worden, das am Large Hadron Collider (LHC) installiert ist. Sie ist in zwei Teile aufgeteilt. Der erste
Teil behandelt Studien, die in einem zentralisierten Module Debug Centre zur Untersuchung von Silizi
umstreifendetektormodulenfur¨ dieEndkappenderinnerenSpurdetektorsdurchgefuhrt¨ wordensind,die
inderMassenproduktionalsdefektaufgefallensind.EineRastervonsiebenallgemeinenDefektklassen
istdazueingefuhrt¨ worden.DiespeziellenEigenschafteneinerjedenKlassewerdenbeschriebenunddie
Kriterien, nach denen die Module in die Klassen einsortiert werden, dargelegt. Insgesamt sind 225 Mo
duleuntersuchtworden,vondenen126repariertwerdenkonnten.SystematischeFehlerquellenkonnten
wahrend¨ dergesamtenMassenproduktionsphasenichtbeobachtetwerden.
¯Der zweite Teil der Arbeit beschaftigt¨ sich mit der Identifikation von semileptonischen tt Ereignissen
(Elektron und Myonkanal), in denen ein Photon vom top Quark abgestrahlt wird. Eine schnittbasier-
¯ ¯te Monte Carlo Analyse zeigt, dass die Trennung der tt Ereignisse vom nicht t t Untergrund (W + Jets,
Z + Jets, Diboson, γ +Jets, und QCD Multijet Ereignisse) gelingt. Das resultierende Photonspektrum
wird durch Photonen bestimmt, die von top Quarks abgestrahlt werden. Die Verh altnisse¨ andern¨ sich
¯betrachtlich,¨ wenn zwingend ein inklusiver tt+Jets Datensatz als Untergrund hinzugenommen wird.
Der semileptonische Anteil zeigt dieselbe Ereignissignatur wie die Signalereignisse. Aufgrund des ir-
0reduziblen Untergrundes durch den Zerfall π → γγ, die in dem hadronischen Anteil dieser Ereig
nisse vorkommen konnen,¨ werden die Spektren nun durch diese Photonen bestimmt. Ein Signal zu
Untergrundverhaltnis¨ von1/46(Elektronkanal)und1/31(Myonkanal)kannnunerreichtwerden.
¯Wennnundieinklusiventt+Jets EreignissenichtalsUntergrundsondernalsSignaldatensatzangesehen
werden, kann eine erste Studie zur Unterscheidung eines top Quarks mit einer elektromagnetischen La
¯dung von 2/3e und−4/3e durchgefuhrt¨ werden, da der tt Datensatz eine 10 bis 15%ige Beimischung
von Photonen enthalt,¨ die von top Quarks abgestrahlt werden. Es kann gezeigt werden, dass es die
Moglichk¨ eit gibt, den Wert dieses elektromagnetischen Kopplungsparameters direkt zu messen, nach
1
demeinige10fb LHC DatenmitdemCMSExperimentaufgezeichnetwordensind.
IIIIVTableofContents
Abstract I
Kurzfassung III
1 Introduction 1
2 TheCMSDetectorattheLHC 5
2.1 TheLargeHadronCollider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 TheMainDetectorsattheLHC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 TheCompactMuonSolenoidDetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.1 KeyParametersoftheCMSDetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.2 CMSCoordinateSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3 TheCMSSiliconMicrostripDetector 11
3.1 TheCMSSiliconTracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 TheCMSSiliconSensorLayout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.3 TheCMSSiliconMicrostripDetectorModuleLayout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.4 TheCMSSiliconHybridLayout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.5 TheModuleProductionandQualification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.5.1 ARCTestSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.5.2 ClassificationSchemeofDefectiveModules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.6 TheCMSSiliconMicrostripModuleQuality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4 TheTECSiliconMicrostripModuleDebugCentre 21
4.1 TheTECModuleDebugCentre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2 TheClassificationofDefectsandFailures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2.1 IV Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2.2 FrontendHybridProblems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.2.3 DamageoftheCarbonSupportStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2.4 MisalignedModules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.2.5 NumberofDefectiveChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2.6 InappropriateHandling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
VVI TABLE OF CONTENTS
4.2.7 OtherDefects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3 TheFinalStatisticsandDefectCorrelations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.4 TheEvaluationoftheProcedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5 EventswithTop QuarksandPhotons 35
5.1 ThePhotonRadiationoffTop Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2 TheSignalProcess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.3 TheMonteCarloEventGeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.4 TheEventGenerationandReconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.5 TheHigh LevelObjects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.6 TheAnalysisFlow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
¯6 ThePreselectionofttγ Events 53
6.1 TheMotivationforanEventPreselection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.2 TheEventPreselectionCriteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.3 TheResultsoftheEventPreselection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
¯7 TheSelectionofttγ Events 59
7.1 TheTop QuarkAnalysisFramework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.2 TheLeptonIdentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7.2.1 LeptonClasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7.2.2 IdentificationCriteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.2.3 ResultsoftheLeptonIdentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
7.3 ThePhotonIdentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.3.1 PhotonClasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.3.2 GeneratorMatching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.3.3 ThePhotonObject . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.3.4 IdentificationCriteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76