Kurzfassung
Diese Dissertation beschreibt die erste globale Interpretation von Messungen der doppeldifferenziellen Wirkungsquerschnitte für inklusive Jetproduktion und Top Quark-Antiquark ($/ttbar$) Paarproduktion in Proton-Proton Kollisionen am Large Hadron Collider (LHC) bei einer Schwerpunktsenergie von $/sqrt{s}=13/TeV$, zusammen mit den inklusiven Messungen von tiefinelastischer Elektron-Proton Streuung (DIS) bei HERA.
Die LHC Daten wurden im Jahr 2016 von dem Compact Muon Solenoid (CMS) Experiment aufgezeichnet, und entsprechen einer integrierten Luminosität von $33.5 /fbinv$ für inklusive Jetproduktion Messungen oder $35.9 /fbinv$ für die $/ttbar$ Messungen.
Die neue Analyse ist zu nächst-führender Ordnung (NLO) in störungstheoretischer Quantenchromodynamik (QCD) durchgeführt und es werden die HERA DIS Messungen von inklusiven neutralen und geladenen Strömen, die CMS Jet Messungen und die normierten dreifachdifferenziellen Wirkungsquerschnitte für $/ttbar$ Produktion benutzt um die Parameter der QCD einzuschränken und Ausschlussgrenzen für neue Physik zu bestimmen.
Die Lagrangedichte des Standardmodells wird dabei um Terme erweitert die effektive Korrekturen für Quark Kontaktwechselwirkungen (CI) beschreiben.
In der präsentierten Analyse werden Einschränkungen an die Partondichtefunktionen, die starke Kopplungskonstante $/alpSZ$ und die Polmasse des Top Quarks $/mtpole$ bestimmt. Gleichzeitig werden Auschlussgrenzen an die Skala $/Lambda$ der CI bestimmt.
Die Analyse ergibt die Werte von
$/alpSZ=0.1188/pm0.0031$,
$/mtpole=170.4/pm0.7/GeV$ und die Ausschlussgrenzen von
$/Lambda > 24/TeV$ für rein linkshändige,
$/Lambda > 32/TeV$ für vektorartige und
$/Lambda > 31/TeV$ für axialvektorartige Wechselwirkungen fuer ein 95/% Konfidenzintervall.
Zum ersten Mal werden hier die LHC Daten in einer Extraktion von CI Wilsonkoeffizienten benutzt ohne Annahmen an Standardmodellparameter zu treffen.
Es werden außerdem weitere Untersuchungen von den Jet und Top Quark Produktions Messungen bei LHC individuell durchgeführt, um die QCD Parametern mit höchsten Präzision zu extrahieren. Eine Analyse des Standardmodells wird bei nächst-nächst-führender Ordnung (NNLO) in störungstheoretischer QCD durchgeführt, bei der die CMS Jet Wirkungsquerschnitte zusammen mit den HERA DIS Daten benutzt werden.
Die Partondichtefunktionen des Protons werden gleichzeitig mit der starke Kopplung
$/alpSZ=0.1166 /pm 0.0017$ extrahiert. Dies ist die bisher präziseste Einzelmessung der starken Kopplungskonstante bei LHC.
Zusätzlich, die CMS Messungen des $/ttbar$ Wirkungsquerschnitts werden in der Extraktion der Top Quark Masse im MSR Renormierungsschema benutzt.
In diesem Schema wird die Massenabhängigkeit im Unterschied zu der Masse im Pol- und modifizierten minimalen Subtraktions ($/MSbar$)-Schema mit einem Skalenparameter $R$ ersetzt. Es wird die erste Untersuchung des Verhaltens der $R$ Skala durchgeführt.
Die aus den CMS Messungen extrahierte Top Quark MSR Masse ist
$/mtMSRn(R=80/GeV)=169.3^{+0.6}_{-0.7}/GeV$, der bisher der Präziseste Ergebnis einer Extraktion aus experimentellen Daten ist.
Die beschriebenen Untersuchungen der fundamentalen Kopplungen des Standardmodells sowie der neuen Physik liegen an der Obergrenze der Präzision der Experimentellen Physik und Hochenergie-Phänomenologie und bilden die ersten Schritte in Richtung einer globalen Interpretation von LHC Daten.
This thesis presents the first global interpretation of the measurements of double-differential cross sections of inclusive jet and top quark-antiquark pair ($/ttbar$) production in proton-proton collisions at the Large Hadron Collider (LHC) at the center of mass energy of $/sqrt{s}=13/TeV$, together with inclusive measurements in Deep Inelastic electron-proton Scattering (DIS) at HERA. The LHC data have been recorded by the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment in 2016, and correspond to the integrated luminosity of $33.5 /fbinv$ for inclusive jet measurement or $35.9 /fbinv$ for the $/ttbar$ measurement. This novel analysis is performed at next-to-leading order (NLO) of perturbative quantum chromodynamics (QCD), where the inclusive neutral and charged current DIS measurements at HERA, the CMS jet measurements and the normalized triple/hyp{}differential cross sections of $/ttbar$ production are used together to constrain the parameters of QCD and impose constraints on new physics. In particular, the Standard Model Lagrangian is extended to incorporate effective contributions from quark contact interactions (CI). In this analysis, the constraints on the parton distributions, the strong coupling constant $/alpSZ$ and the top quark pole mass $/mtpole$ are obtained and, simultaneously, limits on the scale $/Lambda$ of the CI are imposed. This results in $/alpSZ=0.1188/pm0.0031$, $/mtpole=170.4/pm0.7/GeV$ and the 95/% confidence level limits of $/Lambda > 24/TeV$ for purely left-handed, $/Lambda > 32/TeV$ for vector-like and $/Lambda > 31/TeV$ for axial vector-like exchanges. For the first time, the LHC data are used for extracting the Wilson coefficient of the CI, unbiased from the assumptions on the Standard Model parameters. The jet and top quark production at the LHC are further investigated individually, to determine the QCD parameters at highest precision. A Standard Model analysis is performed at next-to-next-to-leading order (NNLO) of perturbative QCD using the CMS jet cross section measurements together with the HERA DIS data. The parton distribution functions in the proton are extracted simultaneously with the strong coupling constant $/alpSZ=0.1166 /pm 0.0017$. This the most precise single measurement of the strong coupling constant at the LHC, to date. Further, the CMS measurements of the $/ttbar$ cross sections are used to extract the top quark mass in the MSR renormalisation scheme. In this scheme, the mass dependence in the difference of the pole and modified minimal subtraction ($/MSbar$) masses is replaced by a scale parameter $R$. The first study of the behaviour of the $R$ scale is presented. The exctracted top quark MSR mass obtained using CMS measurements results in $/mtMSRn(R=80/GeV)=169.3^{+0.6}_{-0.7}/GeV$, which is up to now the most precise value of the top quark MSRn mass extracted from experimental data. The presented investigations of the fundamental couplings of the Standard Model, and of new physics, are at the edge of precision in experimental physics and high-energy phenomenology, paving the road towards a global interpretation of LHC data.