Top quark mass measurement in the lepton+jets channel using full simulation of the CMS detector [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Stefan Kasselmann

Stefan Kasselmann

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 20
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

TopQuarkMassMeasurement
intheLepton+JetsChannel
usingFullSimulation
oftheCMSDetector
VonderFakultätfürMathematik,InformatikundNaturwissenschaften
derRheinisch WestfälischenTechnischenHochschuleAachen
zurErlangungdesakademischenGradeseines
DoktorsderNaturwissenschaften
genehmigteDissertation
vorgelegtvon
Diplom PhysikerStefanKasselmann
ausMönchengladbach
Berichter: UniversitätsprofessorDr.rer.nat.JoachimMnich
UnivDr.rer.nat.GünterFlügge
TagdermündlichenPrüfung:22.November2007
DieseDissertationistaufdenInternetseitenderHochschulbibliothek
onlineverfügbar.Zusammenfassung
Im Sommer 2008 wird der weltgrößte Proton Proton Speicherring, der Large Hadron
Collider (LHC), am CERN in der Nähe von Genf (Schweiz) seine Arbeit aufnehmen.
Bei einer Schwerpunktsenergie von 14TeV beträgt der Wirkungsquerschnitt für die
¯PaarproduktionvonTop /Anti Top Quarks( tt)imStandardmodelletwa830pb(NLO).
DieTop Quarkszerfallennahezuausschließlichinein W Bosonundein b Quarkmit
tels schwacher Wechselwirkung. In etwa 44,4% solcher Ereignisse zerfällt im folgen
den eines der beidenW Bosonen in ein Lepton und ein Neutrino, das andere in zwei
leichte Quarks (semileptonischer Zerfall). Dieser Kanal zeichnet sich deshalb sowohl
durch eine gute Selektierbarkeit aufgrund des Leptons als auch durch eine vollständi
geRekonstruierbarkeitdeshadronischzerfallendenTopQuarksindreiJetsaus.Nach
einer kurzen Einführung in die Top Quark Physik am LHC und den CMS Detektor
(CompactMuonSolenoid)behandeltdievorliegendeArbeitAnalysenzurTop Quark
RekonstruktionundMassenbestimmung.
In der ersten Analyse wird gezeigt, dass Top Quark Paar Zerfälle im semileptoni
schen Kanal auch ohne Jet Flavour Informationen (z.B. b tagging) und einer reduzier-
ten Geometrieakzeptanz für Elektronen mit einem Signal zu Untergrund Verhältnis
von S/B = 2,4 im First Physics Run des LHC selektiert werden können. Hierzu wur-
den in einer vollständigen Simulation des CMS Detektors das Signal und die größten
−1Untergrundprozesse für eine integrierte Luminosität von 0,1fb produziert. Es zeigt
sich, dass in der Selektion unter anderem Jet Shape Variablen als Kompensation zum
fehlenden b tagging sehr erfolgreich sind. Der semileptonische Zerfallskanal ist auf
grund des Leptons im Endzustand besonders geeignet, um das Top Quark am LHC
wiederzuentdecken.UnterAnnahmedesobenbeschriebenenSzenarioswerdenhierzu
−1DatenentsprechendeinerintegriertenLuminositätvonetwa2pb benötigt.
In einer zweiten Analyse, welche von einem nominell arbeitenden Detektor und
−1einer Datenmenge von 1fb ausgeht, wird gezeigt, dass die Top Quark Masse mit
2einem statistischen Fehler von etwa 1GeV/c und einem systematischen Fehler von
2etwa 3.2GeV/c aus dem hadronischen Zerfall des Top Quarks in drei Jets rekonstru
iertwerdenkann.DergrößteFehlerresultiertausderUnsicherheitderKalibrationdes
hadronischenKalorimeters.
Die Herausforderung in der Top Quark Rekonstruktion liegt vor allem in der Aus
wahlderdreirichtigenJetsausdemTop Quark Zerfall,wobeiEreignissemitmaximal
fünf Jets zugelassen werden. Zu diesem Zweck wurde eine Likelihood Methode ent
wickelt, die aus durchschnittlich etwa 17 möglichen Drei Jet Kombinationen (nach
Schnitten) das hadronisch zerfallene Top Quark mit einer Reinheit von bis zu 64%
selektiert.DerverbleibendephysikalischeUntergrundistgegenüberdemkombinatori
schenUntergrundvernachlässigbar.Abstract
In summer 2008 the world largest proton proton storage ring, the Large Hadron Col
lider (LHC), at CERN close to Geneva (Switzerland) will go into service. With a
¯collision energy of 14TeV the production cross section for top/antitop quarks (tt) is
about 830pb (NLO). The top quarks almost exclusively decay into a W boson and a
b quark via the weak interaction. In about 44.4% of all events one of the top quarks
decays into a lepton and neutrino while the other one decays into two light
(semileptonic decay chain). This channel therefore provides a good selection purity
(leptontagging)andthepossibilityforthecompletereconstructionofthehadronically
decaying top quark into three jets. After a short introduction of top quark physics at
the LHC and the Compact Muon Solenoid (CMS) detector, this thesis deals with the
analysesoftopquarkreconstructionandmassmeasurementintwodifferentscenarios.
In the first analysis a first physics scenario is taken as a basis where no jet flavour
information(e.g. btagging)andonlyareduceddetectoracceptanceregionforelectron
identification is assumed. It is shown that semileptonic top quark pair decays can
neverthelessbeidentifiedwithasignaloverbackgroundratioofaboutS/B = 2.4. For
this study signal and main background processes using full simulation of the CMS
−1detectorhavebeenproducedforanintegratedluminosityof0.1fb . Especiallyevent
shapevariablesareadequatetocompensatethemissingbjettagging. Thesemileptonic
channel is the most promising one to rediscover the top quark at the LHC due to the
lepton in the final state. In this scenario the needed integrated luminosity has been
−1calculated to be about 2pb assuming Poisson distributions for the number of signal
andbackgroundevents.
Asecondanalysisfocussesonthetopquarkmassmeasurementinascenariowhere
the CMS detector is fully equipped and has almost reached its design performance.
−1Therefore data for an integrated luminosity of 1fb has been analyzed showing that
2the top quark mass can be reconstructed with a statistical error of about 1GeV/c and
2a systematic error of 3.2GeV/c . The major part of the systematic error is caused by
thecalibrationuncertaintyofthehadroniccalorimeter.
A challenging task in this analysis is the determination of the right three jets com
ing from the top quark decay among at most five jets. To solve this problem a likeli
hoodratiomethodhasbeendeveloped,whichisableofdeterminingtherighttopquark
among up to 17 possible three jet combinations with a purity of up to 64%. It turned
outthatthephysicsbackgroundisalmostnegligibleandthattheintrinsiccombinatoric
backgroundisdominant.Contents
Preface 1
1 TheTopQuarkattheLHC 3
1.1 TheStandardModelofParticlePhysics . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 TopQuarkProperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 TopProduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 TopQuarkDecayChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 TheLHCandtheCMSExperiment 13
2.1 TheLargeHadronCollider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 TheCMSDetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 ThePixelVertexDetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2 TheSiliconStripTracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.3 TheElectromagneticCalorimeter . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.4 TheHadronicCalorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.5 TheSolenoid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.6 TheMuonSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.7 DataAcquisitionandTrigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3 PhysicsSimulationEnvironment 27
3.1 TheUseofMonte CarloTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 AspectsoftheEventGeneration . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 DataProductionChain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4 DetectorSimulationwithGEANTandFAMOS . . . . . . . . . . . . 33
3.5 DataSimulationTools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4 ReconstructionofPhysicsObjects 37
4.1 ElectronIdentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1.1 EnergyClustering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.1.2 TrackReconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.1.3 LikelihoodRatio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.1.4 MeasurementPerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2 MuonIdentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2.1 LocalPatternRecognition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2.2 StandAloneReconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.3 GlobalMuon . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2.4 MeasurementPerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
iii CONTENTS
4.3 TauReconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4ofHadronicFinalStates . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4.1 JetReconstructionOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4.2 TheIterativeConeAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.4.3 JetEnergyCalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.4.4 MeasurementPerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.5 TaggingJetsfrombQuarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.6 MissingEnergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5 DetectingTopQuarksintheFirstPhysicsRun 63
−15.1 AnalysisScenario0.1fb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2 EventPreselection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.1 Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.2 LeptonIsolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.3 EventSelection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .