"Qualität von Jetmessungen und Auswirkungen auf eine Suche nach neuer Physik bei CMS"

"Quality of Jet Measurements and Impact on a Search for New Physics at CMS"

Kurzfassung

Die Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells ist eines der Hauptvorhaben der heutigen Teilchenphysik. Viele Modelle sagen die Produktion neuer, farbgeladener Teilchen am LHC voraus. Diese Teilchen würden letztendlich zu Quarks und Gluonen zerfallen, die als Teilchenjets im Detektor sichtbar werden. Aus diesem Grund ist ein präzises Verständnis der Jeteigenschaften unerlässlich, um den harten Wechselwirkungsprozess, der den hadronischen Endzuständen zugrunde liegt, zu studieren und somit das Standardmodell und darüber hinausgehende Bereiche zu untersuchen.

In dieser Arbeit wird eine Messung der Response-Funktion für den Transversalimpuls (p_T) von Jets am CMS-Experiment am CERN LHC präsentiert, und deren Bedeutung für eine Methode zur Bestimmung des QCD-Untergrundes bei einer Suche nach neuer Physik beschrieben.

Die Jet-p_T Response-Funktion wird in zwei Schritten aus Zweijetereignissen bestimmt, die aus Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV ausgewählt wurden und einer integrierten Luminosität von bis zu 4.90 fb^-1 entsprechen. Dazu werden Jets mit dem anti-k_T-Algorithmus aus individuell gemessenen Teilchen rekonstruiert, die zuvor mit dem Particle-Flow-Algorithmus durch Kombination der Informationen aller relevanten Subdetektoren bestimmt wurden. Im ersten Schritt wird die relative Jet-p_T Auflösung σ/p_T mit Hilfe einer ungebinnten Maximum-Likelihood-Methode gemessen, die auf dem p_T-Gleichgewicht in QCD-Zweijetereignissen beruht, und das Jet-p_T-Spektrum berücksichtigt. Die relative Auflösung in Daten beträgt im Zentralbereich des Detektors etwa 10% für p_T = 100 GeV und verbessert sich zu 5.5% bei 600 GeV. Sie ist im Mittel etwa 5% größer als in der Simulation. Im zweiten Schritt werden die Ausläufer der Jet-p_T Response-Funktion durch Untersuchung der Zweijet-p_T-Asymmetrie gemessen. Die Ausläufer entstehen durch semileptonische Zerfälle schwerer Quarks sowie durch instrumentelle Effekte und tragen im Prozentbereich zur Response-Funktion bei. Ihr relativer Beitrag in Daten ist etwa 20 - 60% größer als in der Simulation bei mittleren bis hohen p_T im Zentralbereich des Detektors.

Desweiteren wird eine Suche nach neuer Physik in Endzuständen mit mehreren Jets, keinen Leptonen und einem starken p_T-Ungleichgewicht vorgestellt, die mit einer Datenmenge entsprechend 4.98 fb^-1 von CMS durchgeführt wurde. Der QCD-Untergrund wird aus den Daten in einer Kontrollregion gemessen, indem die Jet-p_T-Fehlmessungen mit Hilfe der in Zweijetereignissen bestimmten Response-Funktion modelliert werden. Unter Berücksichtigung der Unsicherheit auf die Messung der Response-Funktion wird eine Vorhersage des QCD-Untergrunds in den Suchregionen mit Unsicherheiten von typisch 60 - 70% erreicht. Es wurde kein überschuss an Ereignissen beobachtet. Deshalb wurden Ausschlussgrenzen für die Parameter des Constrained Minimal Supersymmetric Standard Model bestimmt, die unteren Grenzen von 1300 GeV entsprechen bei gleichen Squark- und Gluinomassen.

Titel

Kurzfassung

Summary

The search for new physics beyond the Standard Model is one of the primary enterprises in particle physics today. Many models predict the production of new, coloured particles at the LHC. These particles would eventually decay into quarks and gluons, which manifest as particle jets in the detector. Hence, a precise understanding of the properties of jets is essential to study the underlying hard interaction process of hadronic final-states in order to probe the Standard Model and enter the territory beyond.

In this thesis, a measurement of the jet transverse-momentum (p_T) response function at the CMS experiment at the CERN LHC is presented, and its impact on a QCD-background estimation method in a search for new physics is described.

The jet-p_T response function is determined in two steps from dijet data collected in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 7 TeV and corresponding to an integrated luminosity of up to 4.90 fb^-1. The jets are clustered with the anti-k_T algorithm from individually measured particles that are reconstructed with the Particle-Flow algorithm combining the information from all relevant subdetectors. Firstly, the relative jet-p_T resolution σ/p_T is measured using an unbinned maximum-likelihood approach that is based on the p_T balance in QCD-dijet events and incorporates the jet-p_T spectrum. In the central detector region, the relative resolution in data is approximately 10% at p_T = 100 GeV and improves to 5.5% at 600 GeV. It is approximately 5% larger on average than in the simulation. Secondly, the tails of the jet-p_T response function are measured studying the dijet p_T-asymmetry. The tails are caused by semileptonically decaying heavy-flavour quarks as well as instrumental effects and contribute at the percent level to the response function. Their relative size in data is larger than in the simulation by 20 - 60% in the central detector region at medium to high p_T.

Furthermore, a search for new physics in a multijet final-state with no leptons and a large p_T imbalance is reviewed, which has been conducted by CMS with 4.98 fb^-1 of data. The QCD-multijet background is estimated from data in a control region by modelling the jet-p_T mismeasurements using the response function determined from dijet events. Taking into account the uncertainties on the response-function measurement, a prediction of the QCD background in the search region with a typical uncertainty of 60 - 70% is achieved. No excess in the number of events has been observed. Derived exclusion limits on the parameters of the Constrained Minimal Supersymmetric Standard Model correspond to a lower limit on equal squark and gluino masses of approximately 1300 GeV.