"Messung Assoziierter Z⁰-Boson- und b-Jet-Produktion in Proton-Proton-Kollisionen mit dem CMS Experiment"

"Measurement of Associated Z⁰-Boson and b-Jet Production in Proton-Proton Collisions with the CMS Experiment"

Kurzfassung

In dieser Dissertation werden Daten von Proton-Proton-Kollisionen des LHC aus den Jahren 2010 und 2011 bei einer Schwerpunktsenergie von √s=7 TeV, aufgezeichnet mit dem CMS-Experiment, für eine technische und zwei Physikanalysen verwendet. Die technische entwickelt und verwendet eine Methode zur Bestimmung der Genauigkeit der Kenntnis der wahren CMS-Spurdetektorgeometrie in Daten aus 2011. Dies wird genutzt, um die Abweichung von angenommener und wahrer Geometrie zu quantifizieren, was wiederum in der Spurrekonstruktion geladener Teilchen verwendet wird und somit die Güte von CMS optimiert.

Die erste Physikanalyse berechnet unter Verwendung des kompletten 2010er Datensatzes, 35.9 pb-1 entsprechend, das Wirkungsquerschnittsverhältnis von Top-Paar-(tt) und Z⁰-Boson-Produktion (d.h. Z⁰/γ* beschränkt auf Massen um den Z⁰-Peak) in ihren myonischen Zerfallsmodi, welche in zwei räumlich isolierten hochenergetischen Myonen resultieren. Dies hat gegenüber absoluten Wirkungsquerschnittsmessungen den Vorteil, dass sich gemeinsame experimentelle oder theoretische Unsicherheiten kürzen, was definitiv auf die Luminosität zutrifft. Des Weiteren kann der tt-Wirkungsquerschnitt anstelle der Luminositätsmessung unter Verwendung des Verhältnisses und des theoretischen Z⁰-Wirkungsquerschnittes normiert werden. Die Prozesse werden anhand der invarianten Dimyonmasse separiert, welche für Z⁰-Ereignisse einen Peak um die Z⁰-Masse und eine weite glatte Verteilung für tt-Ereignisse aufweist. Die Kombination der tt-Wirkungsquerschnittsmessungen, normiert zur Luminosität beziehungsweise zu Z⁰ als Standardkerze, führt zu höherer Präzision.

Die zweite Physikanalyse ist die Wirkungsquerschnittsmessung von assoziierter Z⁰-Boson- und b-Jet-Produktion (bZ⁰) in 2.2 fb^-1 der 2011er Daten,wiederum im Zerfallskanal Z⁰→μ⁺μ^-, allerdings unter zusätzlicher Forderung mindestens eines Jets, welcher als von einem b-Quark stammend identifiziert ist. Dieser Prozess ist tt sehr ähnlich, da beide je zwei Myonen und zwei b-Jets im Endzustand aufweisen. Da auch ihre Wirkungsquerschnitte ähnlich sind, sind sie Hauptuntergründe füreinander; jedoch können sie mittels ihres Unterschiedes in fehlender Transversalenergie ∉_T, in tt bedingt durch die nicht messbaren Neutrinos, während in bZ⁰ allgemein keine natürliche ∉_T auftritt, getrennt werden. Das Hauptaugenmerk liegt auf der tt-Untergrundbestimmung: der Beitrag wird im Seitenband der Dimyonmasse oberhalb des Z⁰-Peaks, wo er dominiert, gemessen und in die den Z⁰-Peak einschließende Signalregion extrapoliert. Der inklusive Wirkungsquerschnitt σ^bZ0_inc , definiert für 60GeV < M_Z⁰ < 120GeV, Z⁰→μ⁺μ^-, und mindestens einen b-Jet auf Hadron-Ebene im kinematischen Bereich p^b_T > 25GeV, |η^b| < 2.1 und
ΔR(jet,muons) > 0.5, beträgt σ^bZ0_inc = 5.97 ± 0.10 (stat.)^+0.78_{0.93 (syst.)} pb. Das Ergebnis ist leicht oberhalb der Vorhersage; dies kann ein Indiz dafür sein, dass potentielle Wirkungsquerschnitte assoziierter Higgs-Boson- und b-Jet-Produktion ebenfalls über der Vorhersage liegen könnten.

Titel

Kurzfassung

Summary

In this thesis, data of proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of √s=7 TeV, delivered by LHC and recorded with the CMS experiment in 2010 and 2011, is used to perform one technical and two physics analyses. The technical one develops and uses a method to estimate the precision of the knowledge of the true geometry of the CMS inner tracking system in 2011 data. It is used to quantify the remaining deviation between assumed and true geometry, and this is employed in the reconstruction of trajectories of charged particles, and thus optimises the performance of CMS.

The first physics analysis calculates the ratio of cross sections of top-pair production(tt) and inclusive Z⁰-boson production (i.e. Z/γ* restricted to masses around the Z⁰ peak) in their muonic decay modes - leading to two spatially isolated high-momentum muons - on the full 2010 dataset spanning 35.9 pb^-1. The advantage over absolute cross section measurements is that common experimental or theoretical uncertainties cancel, like it is definitely the case for the measured luminosity. Furthermore, the tt cross section can be normalised using the ratio and the theoretical Z⁰ cross section, instead of the luminosity measurement. The processes are separated by the invariant dimuon mass, which shows a peak around the Z⁰ mass for the Z⁰ events, and a smooth wide curve for tt events. The final combination of the tt cross section measurements normalised to luminosity, respectively to the Z⁰ as standard candle, results in improved precision.

The second physics analysis is the cross-section measurement of associated Z⁰-boson and b-jet production~(bZ⁰) in 2.2 fb^-1 of 2011 data, again in the decay channel Z⁰→ μ⁺μ^-, but now requiring in addition the presence of at least one b-tagged jet. This process is very similar to tt, since both contain two muons and two b jets in the final state. Since their cross sections are also similar, both processes are the main backgrounds for each other - however they can be separated by their difference in missing transverse energy ∉_T, arising in tt from the undetected neutrinos, while there is no natural ∉_T in general in bZ⁰. The focus lies on the estimation of the tt background, measuring this contribution in the dimuon invariant mass sideband region above the Z⁰ peak where it dominates, and extrapolating it into the signal region around the Z⁰ peak. The inclusive cross section σZ⁰_inc, defined for 60GeV < M_Z⁰ < 120GeV, Z⁰→μ⁺μ^-, and at least one b jet on hadron-level in the kinematic range p^b_T > 25GeV, |η^b| < 2.1 and ΔR(jet,muons) > 0.5 yields σ^bZ0_inc = 5.97 ± 0.10 (stat.)^+0.78_{0.93 (syst.)} pb. The result is slightly above the prediction - this can be an indication that potential associated Higgs-boson and b-jet production cross sections might also be above the prediction.