"Untersuchung des neutralino-Systems und Analyse der Response eines hadronischen Kalorimeters auf Myonen am Internationalen Linearcollider."

"Study of the Neutralino Sector and Analysis of the muon response of a highly granular hadron calorimeter at the International Linear Collider"

Kurzfassung

Die Untersuchungen, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, behandeln die Möglichkeiten für die Physik und das Detector-R&D-Programm des Internationalen Linearcolliders (ILC), eines e⁺e^--Colliders mit einer Schwerpunktsenergie von bis zu 1 TeV.

Der erste Teil der Arbeit präsentiert die Untersuchung des Neutralino-Systems im SPS1a' -SUSY-Szenario. Der Prozess e⁺e^- → ˜μ_L˜μ_L → μχ⁰₁μχ⁰₁ wird zur Analyse des neutralino verwendet. Aus den kinematischen Schranken der Energieverteilung der Myonen im Endzustand wird die Masse des χ⁰₁ (97.71 GeV) mit einem relativen statistischen Fehler von 1.09% abgeschätzt. Die Masse des ˜μ_L (189.86 GeV) wird mit einem relativen statistischen Fehler von 0.21% abgeschätzt. Der Wirkungsquerschnitt des Prozesses (54.32 fb) wird mit einem relativen statistischen Fehler von 2.47% mit einem Konfidenzniveau von 68% abgeschätzt. Das χ⁰₂ wird im Prozess e⁺e^- → χ⁰₂ χ⁰₁ → ˜μμ → χ⁰₁ μμχ⁰₁ untersucht. Die Masse des χ⁰₂ (183.89 GeV) kann mit einem relativen statistischen Fehler von 0.75% durch die Ermittlung der kinematischen Schranken der invarianten Masse der zwei Myonen abgeschätzt werden. Außerdem kann für den Wirkungsquerschnitt des Prozesses (4.2 fb) das Konfidenzintervall (3.75, 5.57) fb bei einem Konfidenzniveau von 95% angegeben werden.

Der zweite Teil der Arbeit beschreibt die Analyse der experimentellen Daten, die beim Teststrahl des von der CALICE-Kollaboration gebauten Prototyps eines highly granular hadronic calorimeters (AHCAL) gesammelt wurden. Das Ziel der Analyse ist die Messung der Response des hadronischen Kalorimeters auf Myonen mit einem Impuls zwischen 6 GeV und 120 GeV sowie einem Einfallswinkel bis 28.3° ±0.1°. Dabei wurde festgestellt, dass die Energie und die Winkelabhängigkeit der Myonen-Response mit der Monte-Carlo-Simulation übereinstimmen. Ferner werden die Effekte der elektromagnetischen Wechselwirkung höherer Ordnung im Detektor untersucht; die hohe Granularität des hadronischen Kalorimeters erlaubt es, die von einem 120-GeV-Myon produzierten d-Strahlen zu identifizieren und zu messen. Es wird eine auf diesen Effekten höherer Ordnung basierende Korrelationsfunktion zwischen der im Szintillator und im Absorber deponierten Energie aufgestellt, um die Gesamtenergie zu rekonstruieren, die von einem 120-GeV-Myon im AHCAL deponiert wird. Aus der Myon-Response kann für das e/mip-Verhältnis des AHCAL der Wert 0.897±0.001_stat ±0.057_syst gewonnen werden. Abschließend kann man aus einer kombinierten Analyse der Informationen aus dem AHCAL und dem Muon Tracker Tail Catcher für die Wahrscheinlichkeit (P_μ) einer Myonenemission aus dem Schauer eines Pions mit der Energie E_π den Wert P_μ = (0.9±0.4_stat ±0.1_syst)10^-5E_π angeben.

Titel

Kurzfassung

Summary

The studies presented in this thesis concern the physics potential and the detector R&D program of the International Linear Collider (ILC), an e+ e- collider with a centre of mass energy extendible up to 1 TeV.

The first part of the thesis presents the study of the neutralino system in the SPS1a' SUSY scenario. The process e⁺e^- → ˜μ_L˜μ_L → μχ⁰₁μχ⁰₁ is proposed for the analysis of the neutralino. From the kinematic edges of the energy distribution of the muons in the final state the mass of the χ⁰₁(97.71 GeV) can be estimated with a relative statistical uncertainty of 1.09%. The mass of the muL (189.87 GeV) can be estimated with a relative statistical uncertainty of 0.21%. The cross section of this process (54.32 fb) can be estimated with a relative statistical uncertainty of 2.47% at 68% C.L. The χ₂ is investigated in the process e⁺e^- → χ⁰₂ χ⁰₁ → ˜μμ → χ⁰₁ μμχ⁰₁. The mass of the χ₂ (183.89~GeV) is estimated with a relative statistical uncertainty of 0.75% from the detection of the kinematic edge of the di-muon invariant mass. The cross section of the process (4.2 fb) can be determined within the confidence band (3.75,5.57)fb, at 95% C.L.

The second part of the thesis reports the analysis of the experimental data collected in the test beam of the prototype of a highly granular hadronic calorimeter (AHCAL) build by the CALICE collaboration. The aim of the analysis is to measure the response of the hadronic calorimeter to muons with momentum ranging between 6 GeV and 120 GeV and incidence angle up to 28.3°±0.1°. The energy and angular dependence of the muon response are found in agreement with the Monte Carlo. The effects of the higher order electromagnetic interaction of muons in the detector are studied; the high granularity of the hadronic calorimeter allows to identify and measure the delta-rays produced by a 120GeV muon. A correlation function between the energy deposited in the scintillator and in the absorber based on these higher order effects is found in order to reconstruct the total energy deposited by a 120 GeV muon in the AHCAL.

The e/mip ratio of the AHCAL is extracted from the muon response as 0.897±0.001_stat ±0.057_syst. With a combined analysis of the information of the AHCAL and the Muon Tracker Tail Catcher the probability (P_μ) of muon emission from a shower of a pion with energy E_π is found to be P_μ = (0.9±0.4_stat ±0.1_syst)10^-5E_π.