Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Evaluierung eines Detektorkonzeptes für den International Linear Collider (ILC). Der ILC ist ein geplanter, zukünftiger
Elektron-Positron Linearbeschleuniger mit einer Schwerpunktsenergie von bis zu 500 GeV in seiner ersten Ausbaustufe. Der ILC ermöglicht Präzisionsmessungen des Standardmodells, insbesondere eine modellunabhängige Rekonstruktion des Sektors der elektroschwachen Symmetriebrechung. Die Entdeckung des Higgs-Bosons am LHC 2012 war ein wichtiger erster Schritt und ermöglicht genaue Vermessungen der Kopplungskonstanten des Higgs-Bosons am
ILC. Um Präzisionsmessungen durchführen zu können werden hohe Anforderungen an die Detektoren gestellt. Eines der beiden Detektorkonzepte am ILC ist der International Large Detector (ILD). Dieser sieht eine Zeitprojektionskammer (TPC) als zentralen Spurdetektor vor. Ein Vorteil einer Zeitprojektionskammer gegenüber der Auslese von Siliziumdetektoren ist die große Anzahl an Spurpunkten und damit die kontinuierliche Beobachtung der Spurparameter. TPCs haben somit ein großes Potential für Mustererkennung, einschließlich der Identifizierung von Teilchenzerfällen im sensitiven Bereich der TPC. Die angestrebte Impulsauflösung der ILD TPC beträgt σ1/pt = 10-4 GeV-1. Dies ist gleichbedeutend ist mit einer transversalen Spurpunktauflösung von sigma_rphi < 100 µm über die komplette Driftstrecke von 2,35 m.Im ersten Teil der Arbeit wird die Entwicklung eines Auslesemoduls für die TPC präsentiert, welches den Anforderungen für den Einsatz am ILC genügen soll. Das entwickelte Auslesemodul besteht aus einem Stapel aus drei „Gas Electron Multiplier“ (GEM)-Folien über einer Pad-Auslese. Schmale keramische Gitter dienen als Stützstruktur und Abstandshalter für die
GEM-Folien. Das Auslesemodul wurde in einem TPC Prototypen mit einem Durchmesser und einer maximalen Driftstrecke von ungefähr 60 cm am DESY II Teststrahl betrieben. Ein zusätzlicher Potentialdraht um die Oberkante des Moduls soll Feldverzerrungen am Modulrand minimieren. Der Schwerpunkt der präsentierten Datenanalyse liegt auf den Auswirkungen der Feldverzerrungen sowie auf der Spurpunktauflösung. Eine Extrapolation der vermessenen
Spurpunktauflösung auf die Parameter der ILD TPC zeigt, dass die geplante transversale Spurauflösung von σrφ < 100 µm erreicht werden kann. Die Kopplungskonstanten des Higgs-Bosons an andere Teilchen kann aus seinen Verzweigungsverhältnissen
bestimmt werden. Dies ist ein wichtiger Test des Standardmodell Higgs Sektors sowie der elektroschwachen Symmetriebrechung. Kleinste Abweichungen von den Standardmodellvorhersagen können auf neue Physik hinweisen. Eine hohe Messgenauigkeit ist erforderlich, um zwischen einem standardmodellartigen Higgs-Boson und verschieden Erweiterungen des Standardmodells unterscheiden zu können. Daher werden im zweiten Teil der Arbeit die erreichbaren statistischen Messungenauigkeiten der Higgs Verzweigungsverhältnisse in b¯b, c¯c und gg im Endzustand vvH bei einer Schwerpunktsenergie von 350 GeV am ILC untersucht. Die Studie basiert auf einer detaillierten Simulation des ILD Detektors inklusive des Untergrunds aus Photoproduktion von niederenergetischen Hadronen. Zwei verschiedene Methoden zur Bestimmung der Verzweigungsverhältnisse werden präsentiert: eine Ereignisselektion und Anpassungen an dreidimensionale Referenzverteilungen.
Relative Messungenauigkeiten von 1 %, 4,2% und 10% auf sigma x BR von Higgs nach b¯b, gg und c¯c können bei einer integrierten Luminosität von 330 fb=1 und einer Strahlpolarisation
von P(e-;e+) = (-0.8, +0.3) erreicht werden. Zusätzlich wird die Analyse selektiv auf die beiden Produktionsprozesse, Higgs-Strahlung und WW-Fusion, durchgeführt. Unter der Annahme,
dass der Higgs-Strahlungs-Wirkungsquerschnitt bekannt ist, kann der WW-Fusions- Wirkungsquerschnitt mit einer relativen Genauigkeit von 2,7% bestimmt werden.
The presented thesis addresses the development and evaluation of one of the detector concept for the International Linear Collider (ILC). The ILC is a planned, future electron-positron linear collider with a center-of-mass energy of up to 500 GeV in its first construction stage. The ILC is designed to perform precision measurements of the Standard Model, especially a model-independent reconstruction of the electroweak symmetry breaking sector. In 2012, the discovery of the Higgs boson at the LHC was an important first step and facilitates precision measurements of the Higgs boson coupling constants at the ILC. Challenging design goals have been defined for the ILC detectors in order to reach the desired measurement precisions. One of the two ILC detector concepts is the International Large Detector (ILD). A large Time Projection Chamber (TPC) is foreseen as the central tracking detector. In contrast to modern silicon tracking detectors, a TPC provides a large number of space points, and thus continuous sampling of the track parameters. Therefore, TPCs offer great pattern recognition capabilities including the identification of particle decays within the sensitive volume. The design momentum resolution of the ILD TPC is δ(1/pt) = 104 GeV-1 which can be translated into a transverse spatial resolution of sigma_rphi < 100 µm over the complete drift distance of 2.35 m.In the first part of the thesis, the development of a readout module for the TPC is presented which fulfills the performance requirements of the ILD TPC. The developed readout module is based on a stack of three “Gas Electron Multiplier” (GEM) foils and a pad readout. Thin ceramic grids are used as the support structure and spacers between the GEMs. The readout module was tested in a prototype TPC with a maximal drift distance of around 60 cm at the DESY II test beam. An additional guard ring at the upper edge of the module was introduced to minimize field distortions at the module boundary. The presented data analysis is focused on the impact of the field distortions and the spatial point resolution. An extrapolation of the measured spatial resolution to the ILD TPC working parameters shows that the desired transverse point resolution of σrφ < 100 µm can be accomplished. The coupling constants of the Higgs boson to other particles can be derived from a measurement of the Higgs decay branching ratios. These measurements are an important test of the Higgs sector as well as electroweak symmetry breaking. Even small deviations of the measurements from the Standard Model predictions can indicate new physics. A high accuracy is essential to distinguish between a Standard-Model-like Higgs boson or different extensions of the Standard Model. In the second part of the thesis, the achievable statistical measurement uncertainties of the Higgs branching ratios into b¯b, c¯c and gg are studied in the final state vvH at a 350 GeV ILC. The study is based on a detailed detector simulation which includes low momentum hadron background from photoproduction. Two different analysis procedures are presented: an event counting method and three-dimensional template fits. Relative measurement precisions of 1 %, 4.2% and 10% for sigma x BR of b¯b, gg and c¯c can be achieved for an integrated luminosity of 330 fb^-1 and a beam polarization of P(e-;e+) = (-0.8, +0.3). Additionally, the analysis is modified to distinguish between the two production processes: Higgs strahlung and WW fusion. Under the assumption that the Higgs-strahlung cross section is known precisely, the WW-fusion cross section can be determined to a relative precision of 2.7 %.