Measurement of the pair production of b-jets in proton-proton collisions at root out s = 7 TeV with the ATLAS detector

In hadronischen Kollisionen entstehen bei einem Großteil der Ereignisse mit einem hohen Impulsübertrag Paare aus hochenergetischen Jets. Deren Produktion und Eigenschaften können mit hoher Genauigkeit durch die Störungstheorie in der Quantenchromodynamik (QCD) vorhergesagt werden. Die Produktion von \textit{bottom}-Quarks in solchen Kollisionen kann als Maßstab genutzt werden, um die Vorhersagen der QCD zu testen, da diese Quarks die Dynamik des Produktionsprozesses bei Skalen wieder spiegelt, in der eine Störungsrechnung ohne Einschränkungen möglich ist. Auf Grund der hohen Masse von Teilchen, die ein \textit{bottom}-Quark enthalten, erhält der gemessene, hadronische Zustand den größten Teil der Information von dem Produktionsprozess der Quarks. Weil sie eine große Produktionsrate besitzen, spielen sie und ihre Zerfallsprodukte eine wichtige Rolle als Untergrund in vielen Analysen, insbesondere in Suchen nach neuer Physik. In ihrer herausragenden Stellung in der dritten Quark-Generation könnten sich vermehrt Zeichen im Vergleich zu den leichteren Quarks für neue Phänomene zeigen. Daher ist die Untersuchung des Verhältnisses zwischen der Produktion von Jets, die solche \textit{bottom}-Quarks enthalten, auch bekannt als $b$-Jets, und aller nachgewiesener Jets ein wichtiger Indikator für neue massive Objekte. In dieser Arbeit werden die Produktionsrate und die Korrelationen von Paaren aus $b$-Jets bestimmt und nach ersten Hinweisen eines neuen massiven Teilchens, das bisher nicht im Standard-Modell enthalten ist, in dem invarianten Massenspektrum der $b$-Jets gesucht. Am Large Hadron Collider (LHC) kollidieren zwei Protonenstrahlen bei einer Schwerpunktsenergie von $\sqrt s = 7$ TeV, und es werden viele solcher Paare aus $b$-Jets produziert. Diese Analyse benutzt die aufgezeichneten Kollisionen des ATLAS-Detektors. Die integrierte Luminosität der verwendbaren Daten beläuft sich auf 34~pb$^{-1}$. $b$-Jets werden mit Hilfe ihrer langen Lebensdauer und den rekonstruierten, geladenen Zerfallsprodukten identifiziert. Für diese Analyse müssen insbesondere die Unterschiede im Verhalten von Jets, die aus leichten Objekten wie Gluonen und leichten Quarks hervorgehen, zu diesen $b$-Jets beachtet werden. Die Energieskala dieser $b$-Jets wird untersucht und die zusätzlichen Unsicherheit in der Energiemessung der Jets bestimmt. Effekte bei der Jet-Rekonstruktion im Detektor, die einzigartig für $b$-Jets sind, werden studiert, um letztlich diese Messung unabhängig vom Detektor und auf Niveau der Hadronen auswerten zu können. Hiernach wird die Messung zu Vorhersagen auf nächst-zu-führender Ordnung verglichen. Dabei stellt sich heraus, dass die Vorhersagen in Übereinstimmung zu den aufgenommenen Daten sind. Daraus lässt sich schließen, dass der zugrunde liegende Produktionsmechanismus auch in diesem neu erschlossenen Energiebereich am LHC gültig ist. Jedoch werden auch erste Hinweise auf Mängel in der Beschreibung der Eigenschaften dieser Ereignisse gefunden. Weiterhin können keine Anhaltspunkte für eine neue Resonanz, die in Paare aus $b$-Jets zerfällt, in dem invarianten Massenspektrum bis etwa 1.7~TeV gefunden werden. Für das Auftreten einer solchen Resonanz mit einer Gauß-förmigen Massenverteilung werden modell-unabhängige Grenzen berechnet.

In hadronic collisions, a large amount of processes with large momentum transfer produce a pair of high-$p_{\rm T}$ jets. Their production rate and event properties can be predicted with good precision using perturbative Quantum Chromodynamics (QCD). The production of bottom-quarks in such collisions is a benchmark process in perturbative QCD because they probe the underlying strong dynamics at a well-defined scale. Because of their large mass, bottom-flavoured particles hold the most direct correspondence between the parton-level production and the observed hadron level. The large pair production rate of bottom-quarks and their corresponding decay products makes them important as background source for many analyses including searches for new physics. Besides this, quarks of the third generation could take an exceptional position among the quarks concerning the sensitivity to new massive objects. Studies on the fraction of jets containing bottom-flavoured particles, known as $b$-jets, relative to all-flavour jets could reveal such new phenomena. In this thesis the production rate of and the correlation between pairs of $b$-jets is measured. The invariant dijet mass spectrum is searched for indications for a new resonance in context of physics beyond the Standard Model. At the Large Hadron Collider (LHC) two proton beams at a centre-of-mass energy of $\sqrt s = 7$ TeV collide, producing a large number of such pairs of $b$-jets. This measurement makes use of the data recorded with the ATLAS detector. The total integrated luminosity available for the analysis is about 34~pb$^{-1}$. $b$-jets are identified via their long lifetime and the reconstruction of their charged decay products. For this analysis differences between jets originating from light objects, like gluons and light quarks, compared to jets containing bottom-flavoured objects have to be taken into account. The jet energy scale of $b$-jets is established and the additional uncertainty on the jet energy measurement is determined. Detector effects in the jet reconstruction special to $b$-jets are studied in order to make the measurement independent of the detector and to correct them to hadron level. Then the cross section measured is compared to next-to-leading order Monte-Carlo predictions. These next-to-leading order predictions are in agreement with ATLAS data. Consequently, the underlying production mechanism is confirmed to also be valid in this new energy regime of the LHC. However, first indications for deviations in the description of next-to-leading processes are discovered. Up to an invariant dijet mass of about 1.7~TeV no evidence for a new resonance decaying into a pair of high-$p_{\rm T}$ $b$-jets is found. Therefore, model-independent upper limits are calculated for signals following a Gaussian distribution with different signal widths.