Kurzfassung
In dieser Arbeit werden Messungen der Produktionswirkungsquerschnitte für Topquarkpaare und die Bestimmung der Topquarkmasse beschrieben. Dileptonische Zerfälle von Topquarkpaaren (tt̅) mit zwei entgegengesetzt geladenen Leptonkandidaten (Elektronen und Muonen) im Endzustand werden untersucht. Die untersuchten Datensätze sind von dem CMS Experiment am CERN Large Hadron Collider aufgenommen worden und entsprechen einer integrierten Luminosität von 5.0 fb-1 bei einer Schwerpunktsenergie von √s = 7TeV und 19.7 fb-1 bei √s = 8TeV. Die Wirkungsquerschnitte, σtt̅, werden innerhalb der Detektorakzeptanz gemessen, die definiert ist durch die kinematischen Eigenschaften der Zerfallsprodukte des tt̅-Systems, und in einem zweiten Schritt in den vollen Phasenraum extrapoliert. Die Messung basiert auf einem simultanen Likelihood-Fit von differentiellen Verteilungen im beobachteten Endzustand. Diese sind kategorisiert in Bezug auf die Multiplizität von Jets, die mit einem b-Quark assoziiert sind (b-Jets), und die Anzahl der übrigen Jets. Innerhalb des Fits werden Korrelationen zwischen systematischen Unsicherheiten und die erwartete Topologie von tt̅-Zerfällen besonders berücksichtigt. Durch Vergleich der Ergebnisse mit Vorhersagen der Quantenchromodynamic (QCD) mit einer Genauigkeit zu 'nächst-zu-nächst-zu-führender Ordnung' (NNLO) wird die Topquark-Polmasse, mtpole, bestimmt. Dies geschieht für verschiedene, neue PDF-Sets. Desweiteren wird die Topquarkmasse, die in Monte-Carlo Simulationen genutzt wird, mtMC, aus der Verteilung der invarianten Masse mlb bestimmt. Diese setzt sich aus einem Leptonkandidaten und einem b-Jet zusammen. Da diese Verteilung durch den Zerfall der Topquarks bestimmt wird, bleibt sie unbeeinflusst durch die Beschreibung des tt̅ Produktionsmechanismusses. Ereignisse bei einer Energie von √s = 8TeV werden selektiert, die zusätzlich zum Leptonenpaar mindestens zwei Jets und mindestens einen b-Jet enthalten. Es wird außerdem eine neue Methode eingeführt, die es erlaubt Vorhersagen der QCD in einer festen Ordnung in Störungstheorie zu nutzen, um die Topquarkmasse zu bestimmen. Für diese Bestimmung wird die normierte mlb-Verteilung herangezogen. Der Fitmethode wird erweitert um σtt̅ und mtMC simultan zu bestimmen. Dabei wird die mlb Verteilung benutzt um die Sensitivität auf mtMC zu erhöhen. Infolgedessen werden σtt̅ bei √s = 7 und 8TeV zum ersten Mal bestimmt ohne eine Abhängigkeit von mtMC aufzuweisen. Das Ergebnis für letztere zeichnet sich durch die höchste Genauigkeit aus, die bisher in einer Einzelmessung im dileptonischen Zerfallskanal erreicht wurde. Die extrahierten Wirkungsquerschnitte stellen deren präziseste Messung mit dem CMS Detektor dar und werden genutzt um sowohl mtpole als auch die M̅S̅-Masse, mtM̅S̅, durch Vergleich mit Vorhersagen bis zu NNLO QCD zu bestimmen. Die gemessene mtM̅S̅ zeigt ein besseres Konvergenzverhalten in Bezug auf die Störungsreihe und wird basierend auf neuen QCD-Korrekturen mit 4-Schleifen-Genauigkeit in die Polmasse, mtp,conv, umgerechnet. Zum ersten mal wird konsistent der Bezug zwischen mtMC und sowohl der Pol- als auch der M̅S̅-Masse experimentell hergestellt.
In this thesis, measurements of the production cross sections for top-quark pairs and the determination of the top-quark mass are presented. Dileptonic decays of top-quark pairs (tt̅) with two opposite-charged lepton (electron and muon) candidates in the final state are considered. The studied data samples are collected in proton-proton collisions at the CERN Large Hadron Collider with the CMS detector and correspond to integrated luminosities of 5.0 fb-1 and 19.7 fb-1 at center-of-mass energies of √s = 7TeV and √s = 8TeV, respectively. The cross sections, σtt̅, are measured in the fiducial detector volume (visible phase space), defined by the kinematics of the top-quark decay products, and are extrapolated to the full phase space. The visible cross sections are extracted in a simultaneous binned-likelihood fit to multi-differential distributions of final-state observables, categorized according to the multiplicity of jets associated to b quarks (b jets) and other jets in each event. The fit is performed with emphasis on a consistent treatment of correlations between systematic uncertainties and taking into account features of the tt̅ event topology. By comparison with predictions from the Standard Model at nextto-next-to leading order (NNLO) accuracy, the top-quark pole mass, mtpole, is extracted from the measured cross sections for different state-of-the-art PDF sets. Furthermore, the top-quark mass parameter used in Monte-Carlo simulations, mtMC, is determined using the distribution of the invariant mass of a lepton candidate and the leading b jet in the event, mlb. Being defined by the kinematics of the top-quark decay, this observable is unaffected by the description of the top-quark production mechanism. Events are selected from the data collected at √s = 8TeV that contain at least two jets and one b jet in addition to the lepton candidate pair. A novel technique is presented, in which fixed-order calculations in quantum chromodynamics (QCD) are employed to determine the top-quark mass from the shape of the measured mlb distribution. The analysis is extended to a simultaneous fit of the tt̅ production cross sections and mtMC, including the mlb distribution to increase the sensitivity to mtMC. The resulting tt̅ production cross sections at √s = 7 and 8TeV do not depend on assumptions on mtMC and are the most precise ones obtained with the CMS experiment. The extracted mtMC reaches an unprecedented precision for a single measurement of mtMC in the dileptonic decay channel. The measured σtt̅ are further used to determine mtpole and the M̅S̅ mass, mtM̅S̅, at up to NNLO QCD. The extracted mtM̅S̅ exhibits a better perturbative convergence and is converted to the pole mass, mtp,conv, using recent calculations at 4-loop QCD. For the first time, the direct relation of mtMC to mtM̅S̅, mtpole, and mtp,conv, is quantified experimentally at the highest available precision.