Kurzfassung
In der vorliegenden Dissertation wird eine Suche nach der direkten Paarproduktion von supersymmetrischen Top-Quark-Partnern sowie Arbeiten am Upgrade der Front-End-Controller des hadronischen Kalorimeters (HCAL) des Compact Muon Solenoid-Experiments (CMS) vorgestellt.
Eine der attraktivsten Erweiterungen des Standard-Modells der Teilchenphysik (SM) stellen supersymmetrische Modelle (SUSY) dar, die auf einer Symmetrie zwischen Elementarteilchen mit ganzzahligem Spin (Bosonen) und halbzahligem Spin (Fermionen) beruhen. Supersymmetrische
Partner des Top Quarks (t') mit einer Masse um oder unter der TeV-Energieskala erlauben eine Lösung des Hierarchieproblems. Zudem ermöglichen SUSY-Modelle mit erhaltener R-Parität eine Erklärung von kalter dunkler Materie mit Hilfe des leichtesten supersymmetrischen
Teilchens, des Neutralinos (Chi'^0).
Die in dieser Arbeit vorgestellte Analyse sucht nach Anzeichen der Produktion von Top-Squark-Paaren mit dem CMS-Experiment am CERN Large Hadron Collider (LHC) bei einer Kollisionsenergie von 8 TeV. Die Analyse basiert auf Ereignissen mit einer Signatur bestehend aus einem einzelnen, isolierten Lepton, mehreren Jets von denen mindestens einer von einem b-Quark stammt, sowie fehlende Transversalenergie. Im Rahmen dieser Analyse wurde eine neue Schnittstelle für Support-Vektor-Maschinen in der Hochenergiephysik (SVM-HINT) entwickelt,
um die ausgewählten Ereignisse als Signal oder SM-Untergrund zu klassifizieren. SVM-HINT wird zudem um einen neuartigen, auf statistischer Signifikanz basierten Algorithmus erweitert, der eine hohe Klassifikationsleistung aufweist. Es werden Monte Carlo-Simulationen verwendet, um den Algorithmus zu trainieren und zu optimieren sowie um Regionen des Phasenraums der Top-Squark-Paarproduktion mit großem Signal-zu-Untergrund-Verhältnis abzuschätzen. Der Anteil von Untergrundereignissen in jeder dieser identifizierten Suchregionen wird mit Daten-basierenden Methoden abgeschätzt. Die Ergebnisse werden in
einen vereinfachten Modell unter der Annahme eines Verzweigungsverhältnisses von t' --> t Chi'^0 von 100% interpretiert. Es werden keine signifikanten Abweichungen zwischen der Messung und den Vorhersagen des SM beobachtet. Eine Ausschlussgrenze für die Massen m_t'
und m_chi dem vereinfachten Modell wird abgeleitet. Die Sensitivität frührerer Analysen bei einer Kollisionsenergie von 8 TeV mit einzelnen Leptonen im Endzustand wird auf m_t' = 675 GeV sowie m_chi = 225 GeV erweitert.
Das Ergebnis dieser Analyse stellt eine der Motivationen für eine höhere Kollisionsenergie sowie Luminosität des LHC dar. Ein Betrieb bei entsprechenden Parametern des Beschleunigers hat eine erhöhte Strahlenbelastung der Detektoren und Ausleseelektronik zur Folge. Der zuverlässige Betrieb der Eletronikkomponenten unter diesen Bedingungen ist von entscheidenderWichtigkeit. Deshalb wird ein neues Kontrollsystem in die erneuerte Front-End-Ausleseelektronik des CMS HCAL integriert, welches ein simultanes Konfigurieren und Steuern aller Front-End-Module ermöglicht. Zudem erlaubt es im Falle eines unvorhergesehenen Ereignisses den unmittelbaren Zugriff auf Diagnoseinformationen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Firmware für diese next-generation-Front-End-Controller entwickelt und die nötigen Routinen
für diese Funktionalität implementiert. Die Konsistenz und Zuverlässigkeit des neuen Kontrollsystems wurde erfolgreich in Laborexperimenten sowie Teststrahlmessungen bestätigt.
In this thesis a search for direct pair production of supersymmetric top-quark partners as well as work on the upgrade of the front-end readout controller of the Hadron Calorimeter (HCAL) of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment are presented. The most appealing extension of the Standard Model (SM) is supersymmetry (SUSY), relating the integer spin (bosons) and half-integer spin elementary particles (fermions). Supersymmetric top-quark partners (t') around and below the TeV energy scale offer a solution to the hierarchy problem. Furthermore, R-parity conserving SUSY models propose a cold dark matter candidate in the form of stable lightest supersymmetric particles, e.g. lightest neutralinos (Chi'^0). The analysis performed in this thesis is a search for top-squark pair production in a final state consisting of a single isolated lepton, jets, among which at least one is tagged as bottom-quark jet, and large missing transverse energy at the CMS experiment at the CERN Large Hadron Collider (LHC) with 8 TeV center-of-mass energy. A new Support Vector Machines (SVM) High-Energy Physics interface (SVM-HINT) software is introduced to classify signal events originating from new physics processes and the SM background. SVM-HINT is enhanced with a novel statistical significance based optimization algorithm providing a state-of-the-art classification power. Monte Carlo simulations are used in the training and optimization procedure, and high signal purity search regions are determined in the search for top-squark pair production. The background event yields in each search region are predicted using a data-driven background estimation method. The results are interpreted within a simplified model assuming a branching ratio of 100% to t' --> t Chi'^0 . No significant discrepancy between the data and the SM predictions has been observed. Exclusion limits were derived to constrain the m_t' and m_chi of the investigated simplified model. The sensitivity of the previous searches with the 8 TeV center-of-mass energy in the single lepton final states is extended to m_t' = 675 GeV and m_chi = 225 GeV. The results of the present analysis once again verified the necessity to reach higher centerof-mass energies and luminosities at the LHC. Such an upgrade will increase the radiation exposure of the readout electronics. A reliable operation of the detector electronics under these harsh conditions is absolutely crucial. Therefore, a new front-end readout control system has been integrated to the upgraded electronics infrastructure of the CMS HCAL, which simultaneously sets up and controls all front-end modules. Furthermore, it recovers diagnostic information and responses immediately in case of unexpected events. A firmware for the next-generation Front-End-Control module helping to accomplish these tasks has been developed. Consistency and reliability of the control system is successfully tested in the test-stands and irradiation beam tests.