Moderne Teilchenphysikexperimente, wie die am Large Hadron Collider (LHC), stellen globale und interdisziplinäre Projekte dar, die eine Vielzahl unterschiedlicher Bereiche umfassen. In dieser Arbeit werden zwei Aspekte davon behandelt: einerseits eine Top-Quark-Physik-Analyse und andererseits Forschung und Entwicklung von strahlenharten Siliziumspurdetektoren.
Die hohe Schwerpunktsenergie und Luminosität des LHCs erlauben eine detaillierte Untersuchung der Eigenschaften der Top-Quark-Paar-Produktion (tt). Normierte differentielle tt-Wirkungsquerschnitte werden als Funktion von kinematischen Variablen des tt-Systems, der Top-Quarks und ihrer Zerfallsprodukte (b-Jets und Leptonen) gemessen. Die Analyse basiert auf Daten von Proton-Proton-Kollisionen mit √s=7 TeV und einer integrierten Luminosität von 5 fb-1, die vom CMS-Experiment 2011 aufgezeichnet wurden. Ein Datensatz von tt-Ereignissen hoher Reinheit wird gemäß der Topologie des Lepton+Jets-Kanals selektiert. Die Leptonselektions- und Triggereffizienzen werden datenbasiert bestimmt. Die Top-Quark-Vierervektoren werden mit einem kinematischen Fit unter Verwendung von Zwangsbedingungen rekonstruiert. Die rekonstruierten Verteilungen werden mit einer regularisierten Entfaltungsmethode in Bezug auf Detektoreffekte korrigiert. Indem die differentiellen Verteilungen mit Hilfe des in-situ gemessenen Gesamtwirkungsquerschnitts normiert werden, verringern sich korrelierte systematische Unsicherheiten, so dass eine Genauigkeit von typischerweise 4-11% erreicht wird. Die Ergebnisse werden mit Standardmodellvorhersagen von Monte-Carlo-Ereignisgeneratoren und approximativen Rechnungen in drittführender Ordnung (NNLO) QCD verglichen. Es ist eine gute Übereinstimmung zu erkennen.
Ein Umbau des LHCs auf eine höhere Luminosität (HL-LHC) ist für das Jahr 2022 geplant. Dies wird zu einer höheren Strahlenbelastung für die Siliziumspurdetektoren führen. Die innerste Pixellage wird voraussichtlich einer 1-MeV-Neutronen-äquivalenten Fluenz von ca. 1016 cm-2 ausgesetzt sein. Der neuartige Effekt der strahlungsinduzierten Ladungsverstärkung (LV) wird als vielversprechende Option untersucht, um die erwartete Verschlechterung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses auf Grund von Strahlenschäden (insbesondere durch Ladungsträgereinfang) auszugleichen. Dazu werden epitaktische Siliziumflächendioden zwischen 75 und 150 μm Dicke aus Standard- und sauerstoffangereichertem Material untersucht, die mit 24 GeV-Protonen bis zu einer Äquivalentfluenz von 1016 cm-2 bestrahlt wurden. Die gesammelte Ladung für unterschiedliche Strahlungsarten (670, 830, 1060 nm Laserlicht, α- und β-Teilchen) wird mit der Transient-Current-Technique und einem 90Sr-β-Aufbau gemessen. Die unterschiedlichen Eindringtiefen der Strahlungsarten werden genutzt, um die LV-Region zu lokalisieren. Die Abhängigkeit der LV von der angelegten Spannung, Fluenz, Dicke, Material, Temperatur und Ausheilzeit wird untersucht, ebenso wie die Proportionalität, Flächenhomogenität und Langzeitstabilität der LV. Der absolute Wert der gesammelten Ladung für β-Teilchen wird gemessen, und der Einfluss von LV auf das Rauschen, Signal-zu-Rausch-Verhältnis und die Breite des Ladungsspektrums wird untersucht. Die Auswirkungen auf realistische segmentierte Sensoren für den HL-LHC werden diskutiert.
Modern particle-physics experiments like the ones at the Large Hadron Collider (LHC) are global and interdisciplinary endeavours comprising a variety of different fields. In this work, two different aspects are dealt with: on the one hand a top-quark physics analysis and on the other hand research and development towards radiation-hard silicon tracking detectors.
The high centre-of-mass energy and luminosity at the LHC allow for a detailed investigation of top-quark-pair (tt) production properties. Normalised differential tt cross sections 1/σ d&sigmatt/dX are measured as a function of nine different kinematic variables X of the tt system, the top quarks and their decay products (b jets and leptons). The analysis is performed using data of proton-proton collisions at √s=7 TeV recorded by the CMS experiment in 2011, corresponding to an integrated luminosity of 5 fb-1. A high-purity sample of tt events is selected according to the topology of the lepton+jets decay channel. Lepton-selection and trigger efficiencies are determined with data-driven methods. The top-quark four-vectors are reconstructed using a constrained kinematic fit. The reconstructed distributions are corrected for background and detector effects using a regularised unfolding technique. By normalising the differential cross sections with the in-situ measured total cross section, correlated systematic uncertainties are reduced, achieving a precision of typically 4-11%. The results are compared to standard-model predictions from Monte-Carlo event generators and approximate next-to-next-to-leading-order (NNLO) perturbative QCD calculations. A good agreement is observed.
A high-luminosity upgrade of the LHC (HL-LHC) is envisaged for 2022, which implies increased radiation levels for the silicon tracking detectors. The innermost pixel layer is expected to be exposed to a 1-MeV-neutron-equivalent fluence in the order of 1016 cm-2. The novel effect of radiation-induced charge multiplication (CM) is studied as an option to overcome the expected signal-to-noise degradation due to radiation damage (mainly due to charge-carrier trapping). Epitaxial silicon pad diodes of 75-150 μm thickness and of standard and oxygen-enriched materials are investigated after irradiation with 24 GeV protons up to equivalent fluences of 1016 cm-2. Charge collection in response to different radiation (670, 830, 1060 nm laser light, α and β particles) is studied with the transient-current technique and a90Sr β setup. The different penetration properties of the radiation types are used to localise the CM region. The dependence of CM on voltage, fluence, thickness, material, temperature and annealing time is studied, as well as its proportionality, spatial uniformity and long-term stability. The absolute amount of charge in response to β particles is measured, and the impact of CM on noise, signal-to-noise and the charge-spectrum width is investigated. Implications for realistic segmented devices at the HL-LHC are discussed.