"Tests des elektroschwachen Standard Modells und Messung des schwachen Mischungswinkels mit dem ATLAS Detektor"

"Tests of the Electroweak Standard Model and Measurement of the Weak Mixing Angle with the ATLAS Detector"

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird der globale Standard Modell (SM) Fit an die elektroschwachen Präzisionsdaten im Hinblick auf neueste experimentelle Ergebnisse erneut betrachtet. Die durchgeführten Konsistenztests zeigen keine signifikanten Abweichungen zur SM Vorhersage. Die Masse des Higgs Bosons wird durch den elektroschwachen Fit ohne Berücksichtigung der direkten Higgs Suchen bei LEP, Tevatron, und am LHC zu M_H = 94⁺³⁰₋₂₄ GeV bestimmt, bzw. zu M_H = 125⁺⁸₋₁₀ GeV wenn die direkten Higgs Suchen mit einbezogen werden. Das Fit-Resultat für den Wert der starken Kopplungskonstante lautet α_s(M²_Z) = 0.1194 ± 0.0028 (exp) ± 0.0001 (theo). Der effektive schwache Mischungswinkel wird indirekt aus dem Fit mit den Informationen der direkten Higgs Suchen zu sin² θ^l_eff = 0.23147^+0.00012_−0.00010 bestimmt. Für die Masse des W Bosons wird ein Wert von M_W = 80.360^+0.012_−0.011 GeV indirekt aus dem Fit mit den direkten Higgs Suchen ermittelt.

Die elektroschwachen Präzisionsdaten lassen sich darüber hinaus nutzen um neue Physik Modelle mit Hilfe des Konzepts der oblique Parameter einzuschränken. Folgende Modelle werden in dieser Arbeit untersucht: Modelle mit einer sequentiellen vierten Generation, das inert-Higgs Duplett Modell, das littlest Higgs Modell mit T-Parität Erhaltung, und Modelle mit großen extra Dimensionen. Im Gegensatz zum SM ist in diesen neuen Physik Modellen, die Existenz von schwere Higgs Bosonen mit den elektroschwachen Prazisionsdaten verträglich.

Desweiteren wird die Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie von pp → Z/γ∗ → e⁺e^- Ereignissen, aufgezeichnet mit dem ATLAS Detektor am LHC, als Funktion der invarianten Masse bestimmt. Dazu werden die bei einer Schwerpunktsenergie von √s = 7 TeV im Jahre 2010 gesammelten Daten, die einer integrierten Luminosität von 37.4 pb⁻¹ entsprechen, analysiert. Die gemessene Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie ist im Einklang mit der SM Vorhersage. Aus der gemessenen Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie wird der effektive schwache Mischungswinkel zu sin² θ^l_eff = 0.2204 ± 0.0071 (stat) ^+0.0039_−0.0044 (syst) bestimmt. Der Einfluss von unparticles und großen zusätzlichen Raum-Dimensionen auf die Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie bei hohen invarianten Massen wird auf Generator Niveau studiert.

Titel

Kurzfassung

Summary

In this thesis the global Standard Model (SM) fit to the electroweak precision observables is revisited with respect to newest experimental results. Various consistency checks are performed showing no significant deviation from the SM. The Higgs boson mass is estimated by the electroweak fit to be M_H = 94⁺³⁰₋₂₄ GeV without any information from direct Higgs searches at LEP, Tevatron, and the LHC and the result is M_H = 125⁺⁸₋₁₀ GeV when including the direct Higgs mass constraints. The strong coupling constant is extracted at fourth perturbative order as α_s(M²_Z) = 0.1194 ± 0.0028 (exp) ± 0.0001 (theo). From the fit including the direct Higgs constraints the effective weak mixing angle is determined indirectly to be sin² θ^l_eff = 0.23147^+0.00012_−0.00010. For the W mass the value of M_W = 80.360^+0.012_−0.011 GeV is obtained indirectly from the fit including the direct Higgs constraints.

The electroweak precision data is also exploited to constrain new physics models by using the concept of oblique parameters. In this thesis the following models are investigated: models with a sequential fourth fermion generation, the inert-Higgs doublet model, the littlest Higgs model with T-parity conservation, and models with large extra dimensions. In contrast to the SM, in these models heavy Higgs bosons are in agreement with the electroweak precision data.

The forward-backward asymmetry as a function of the invariant mass is measured for pp → Z/γ∗ → e⁺e^- events collected with the ATLAS detector at the LHC. The data taken in 2010 at a center-of-mass energy of √s = 7 TeV corresponding to an integrated luminosity of 37.4 pb⁻¹ is analyzed. The measured forward-backward asymmetry is in agreement with the SM expectation. From the measured forwardbackward asymmetry the effective weak mixing angle is extracted as sin² θ^l_eff = 0.2204 ± 0.0071 (stat) ^+0.0039_−0.0044 (syst). The impact of unparticles and large extra dimensions on the forward-backward asymmetry at large momentum transfers is studied at generator level.