Study of the Z boson production at the ATLAS experiment with first data [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Matthias Schott

Schott, Adolf Matthias

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• Physik

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 33
• Langue: Deutsch
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Extrait

Study of the Z Boson Production at the
ATLAS Experiment with First Data
Dissertation an der Fakult˜at fur˜ Physik
der
Ludwig-Maximilians-Universitat Munchen˜ ˜
vorgelegt von
Matthias Schott
geboren in Nurnberg˜
Munc˜ hen, Juni 20071. Gutachterin: Prof. Dr. Dorothee Schaile
2.hter: Prof. Dr. Wolfgang Dunnweber˜
Datum der mundlic˜ hen Prufung:˜ 31.Juli.2007Zusammenfassung
Am europ˜aischen Forschungszentrum CERN werden zurzeit die letzten Installationsarbeiten
am ATLAS Detektor beendet, um ab dem Jahr 2008 Proton-Proton Kollisionen bei einer
Schwerpunktsenergie von 14 TeV pr˜azise zu vermessen.
Eine detaillierte Messung des totalen Wirkungsquerschnitts und des transversalen Impulsspek-
trums der Z-Boson Produktion am LHC ist aus vielerlei Grunden˜ wichtig. Zum einen liefert
die Messung einen weiteren Test des Standardmodells, zum anderen ist die Analyse sensi-
bel auf neue exotische physikalische Prozesse. Die Eigenschaften der Z-Boson Resonanz und
deren Zerfall in zwei Myonen ist mit sehr hoher Prazision sowohl theoretisch vorhergesagt als˜
auch bei den LEP Experimenten untersucht. Daher ist dieser Zerfall auch ein wichtiger Ref-
erenzprozess fur die Kalibration und die Alignierung des ATLAS Detektors. Als ein letzter˜
Grund ist zu nennen, dass die Produktion von Z-Bosonen am LHC einen gro…en Untergrund
fur andere Physikanalysen darstellt und folglich gut verstanden sein muss.˜
In dieser Arbeit wird eine Strategie aufgezeigt und diskutiert, wie der Wirkungsquerschnitt s
⁄ + ¡fur den Prozess pp! g =Z! m m wahrend der ersten Datennahme am ATLAS Experiment˜ ˜
bestimmt werden kann. Als Ergebnis dieser Studie wird eine Genauigkeit von
Ds +0:016… 0:006(stat)§ 0:008(sys) (pdf)¡0:008s
¡1bei einer integrierten Luminositat˜ von 50 pb unter der Annahme eines voll funktionsfahigen˜
Detektors und unter Vernachl˜assigung der Unsicherheiten der Luminositatsmessung˜ erwartet.
Eine wichtige Zielsetzung bei der Entwicklung der Messstrategie war die Minimierung von
Abh˜angigkeiten von Monte Carlo Simulationen. Folglich wurden mehrere Methoden zur
Bestimmung des Detektorverhaltens aus Daten detailliert untersucht.
In einem zweiten Schritt wird ein Ansatz zur Messung des difierentiellen Wirkungsquer-
dsschnitts des Transversalimpuls des Z-Bosons vorgestellt und diskutiert, der ebenfalls fur˜Zd p
T
die erste Datennahme entwickelt wurde. Im Gegensatz zur Messung des totalen Wirkungs-
querschnitts wird bei dieser Messung eine dominierende statistische Unsicherheit erwartet.
Es wird gezeigt, dass die erwartete Genauigkeit der Transversalimpulsmessung von Myonen
die erstmalige Beobachtung von interessanten Efiekten der Parton Dichte Funktionen schon
mit ersten Daten erm˜oglicht.Abstract
The ATLAS detector, currently in its flnal installation phase at CERN, is designed to provide
precise measurements of 14 TeV proton-proton collisions at the Large Hadron Collider.
Thets of the cross section and transverse momentum spectrum of the Z boson
production at LHC provides flrst tests of the standard model in a new energy domain and
may reveal exotic physics processes. Moreover, the properties of the Z boson resonance and
its decay into two muons are known to very high precision from LEP experiments and hence
can be used as a physics process for calibration and alignment. The Z boson production is
also a common background process for many other physics analyses and must therefore be
well understood.
This thesis describes a measurement strategy of the cross section s for the process pp !
+ ¡g=Z ! m m at the ATLAS experiment during its startup phase. As a result of this study
a precision of
Ds +0:016… 0:006(stat)§ 0:008(sys) (pdf)¡0:008s
¡1is expected for an integrated luminosity of 50 pb , assuming a fully operational ATLAS
detector, not including uncertainties in the luminosity measurements. A major goal of the
approach presented was to minimize the dependence on Monte Carlo simulations. Hence,
several methods for the determination of the detector response based on data have been
studied.
dsIn addition, a strategy for the difierential cross section measurement of the transverseZd p
T
momentum of the Z boson has been developed. In contrast to a measurement of the total
cross section, it is expected that the statistical uncertainty dominates for the given integrated
¡1luminosity of 50 pb . The predicted high p resolution of the ATLAS Inner Detector and theT
Muon Spectrometer allow for the flrst observation of interesting parton distribution efiects,
i.e. the so-called x-broadening, even with the limited statistics expected during the flrst data
taking period.Contents
I Overview 1
1 Introduction 3
2 Theory of Z Boson Production at LHC in a Nutshell 5
2.1 The Standard Model of Particle Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Theory of Proton-Proton Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Monte Carlo Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 The Production of Z Bosons at the LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 The Large Hadron Collider 15
4 The ATLAS Experiment 17
4.1 The ATLAS Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.1.1 Magnet System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1.2 Inner Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.1.3 Calorimetric System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.1.4 Muon Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2 Trigger System and Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.3 Physics Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3.1 The Higgs Boson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3.2 Supersymmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.3.3 Beyond the Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.3.4 Precision Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.4 ATLAS Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.4.1 The ATLAS Software Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.4.2 Grid Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
7II Muon Spectrometer Performance 39
5 Expected Performance of an Ideal Muon Spectrometer Setup 41
5.1 Deflnitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6 Validation of the MDT Chamber Simulation with Cosmic Rays 47
7 Impacts of Random Misalignment on the Muon Spectrometer Performance 51
III Production of the Z boson at LHC 57
⁄ + ¡8 Cross-Section s (pp! Z=g ! m m ) Measurement 59
8.1 Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
8.1.1 Relevant Background Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
8.1.2 Cut Based Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
8.2 Background Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
8.2.1 Z! tt-background Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
fl8.2.2 tt-background Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
8.2.3 QCD-background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
8.2.4 W ! mn-background Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
8.2.5 Cosmic Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
8.3 In-situ Determination of Detector E–ciencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
8.3.1 Tag and Probe Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
8.3.2 Selection of Candidate Tracks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
8.3.3 Determination of the Muon Spectrometer Reconstruction E–ciency . 80
8.3.4 of Inner Tracker Reconstruction E–ciencies . . . . . . 84
8.3.5 Trigger E–ciencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.3.6 Muon Isolation E–ciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
8.4 Determination of the Muon p -Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91T
8.5 Further Studies of Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
8.5.1 Impact Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
8.5.2 Impacts of Misalignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
8.5.3 PDF Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
⁄ + ¡8.6 Expected Precision of the s (pp! Z=g ! m m ) Measurement . . . . . . . 98
8.6.1 Uncertainty of e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98All
8.6.2 Further Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
8.6.3 Overallty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102