"Measurement of the W →τν_τ cross section in proton-proton collisions at ATLAS and the development of the HepMCAnalysis Tool"

"Messung des W →τν_τ Wirkungsquerschnitts in Proton-Proton Kollisionen bei ATLAS und die Entwicklung des HepMCAnalysis Tools"

Kurzfassung

Das Ziel moderner Teilchenphysikexperimente ist die präzise Vermessung bekannter Phänomene und die Entdeckung neuer Physik. Die Komplexität dieser Experimente erfordert fortgeschrittene Programme um die richtige Funktionalität jedes einzelnen Teils des Detektors sowie jedes einzelnen Analyseabschnitts zu gewährleisten. Eines dieser Programme ist das HepMCAnalysis Tool, ein Softwareframework für Monte Carlo (MC) Generatorvalidierung und -vergleiche, das das generatorunabhängige HepMC Format verwendet. In dieser Arbeit wird die Entwicklung des HepMCAnalysis Tools vorgestellt. Seine Anwendungsbereiche reichen von Validierungen und Regressionstests am ATLAS Experiment über Generatorstudien und vorbereitenden Studien physikalischer Analysen bis hin zur histogrammbasierten Validierung im Generator Services Project. Anwendungsbeispiele werden kurz erläutert.

November 2009 fing die Datennahme am Large Hadron Collider (LHC) und dem ATLAS Experiment, dem größten der vier LHC Experimente, an. Viele Standardmodellereignisse (SM) können bereits wieder entdeckt werden und werden für die Optimierung der Detektoreigenschaften genutzt. In diesen SM Ereignissen haben Ereignisse mit Teilchen der dritten Generation (z.B. τ Leptonen) u.a. im Zerfall des Higgs Bosons eine bedeutende Rolle. Teilchen der dritten Generation, insbesondere &tau Leptonen, können aber auch im Endzustand vieler Modelle neuer Physik (z.B. Supersymmetrie (SUSY)) gefunden werden. Daher ist ein genaues Verständnis von SM Ereignissen mit τ Leptonen einer der Schlüssel bei der Suche nach neuer Physik. Einer der wichtigsten Prozesse bildet dabei der W → τντ-Zerfall. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Messung des W → τντ Wirkungsquerschnitts in Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von √s = 7 TeV am ATLAS Experiment vorgestellt. Der ermittelte Wirkungsquerschnitt σ^tot_{W → τντ} = (11.1 ± 0.3 (stat.) ± 1.7 (syst.) ± 0.4 (lumi.)) nb stimmt mit der NNLO Vorhersage von (10.46 ± 0.52) nb überein. Des Weiteren wurde das W → τντ-Verzweigungsverhältnis bestimmt. Bei einem gesamten W Boson Produktionswirkungsquerschnitt von 100 nb mit einer fünfprozentigen Unsicherheit, ergibt sich ein Wert von (11.1 ± 0.3 (stat.) ± 1.8 (syst.) ± 0:4 (lumi.))%, der wiederum mit der SM Erwartung von 10.83% übereinstimmt.

Titel

Kurzfassung

Summary

The goal of modern particle physics experiments is the most precise measurement of known phenomena and the discovery of new physics. The complexity of these experiments requires dedicated tools to ensure the correct functionality of every part of the experiment and the analyses. One of these tools is the HepMCAnalysis Tool, a software framework for Monte Carlo (MC) generator validation and comparisons, using the generator independent HepMC event record. In this thesis, the development of the HepMCAnalysis Tool is presented. Its wide range of applications extends from validation and regression tests at the ATLAS experiment, over generator level studies and preparations of analyses, up to histogram based validation in the Generator Services Project. Examples of its applications are given.

In November 2009, the Large Hadron Collider (LHC) started operation and the ATLAS detector, the largest of the four LHC experiments, began taking data. Many Standard Model (SM) processes can already be rediscovered and are used to optimise the detector performance. Amongst those SM processes, processes involving particles from the third generation, like $\tau$ leptons, play an important role e.g. in the decay of the Higgs boson. Also in models of new physics like supersymmetry (SUSY), third generation particles, especially τ leptons, can be found in the final state. An accurate understanding of underlying SM processes with τ leptons is therefore one of the keys for the search of new physics. Among these, one of the most important processes is the W → τντ decay. In the second part of this thesis, the cross section measurement of W → τντ decays in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of √s = 7 TeV with the ATLAS experiment is presented. This was measured to be σ^tot_{W → τντ} = (11.1 ± 0.3 (stat.) ± 1.7 (syst.) ± 0.4 (lumi.)) nb. This result is in agreement with the NNLO prediction of (10.46 ± 0.52) nb. Furthermore, the W → τντ branching ratio was determined, using a total W boson production cross section of 100 nb with an uncertainty of 5%, to be (11.1 ± 0.3 (stat.) ± 1.8 (syst.) ± 0:4 (lumi.))%, also in agreement with the SM expectation of 10.83%.