Measurement of the forward-backward asymmetry of Z boson decays in electron-positron pairs with the ATLAS detector in proton-proton collisions at root out s = 7TeV at the LHC

In this thesis the measurement of the effective weak mixing angle wma in proton-proton collisions is described. The results are extracted from the forward-backward asymmetry (AFB) in electron-positron final states at the ATLAS experiment at the LHC. The AFB is defined upon the distribution of the polar angle between the incoming quark and outgoing lepton. The signal process used in this study is the reaction pp to zgamma + X to ee + X taking a total integrated luminosity of 4.8\,fb^(-1) of data into account. The data was recorded at a proton-proton center-of-mass energy of sqrt(s)=7TeV. The weak mixing angle is a central parameter of the electroweak theory of the Standard Model (SM) and relates the neutral current interactions of electromagnetism and weak force. The higher order corrections on wma are related to other SM parameters like the mass of the Higgs boson.rnrnBecause of the symmetric initial state constellation of colliding protons, there is no favoured forward or backward direction in the experimental setup. The reference axis used in the definition of the polar angle is therefore chosen with respect to the longitudinal boost of the electron-positron final state. This leads to events with low absolute rapidity have a higher chance of being assigned to the opposite direction of the reference axis. This effect called dilution is reduced when events at higher rapidities are used. It can be studied including electrons and positrons in the forward regions of the ATLAS calorimeters. Electrons and positrons are further referred to as electrons. To include the electrons from the forward region, the energy calibration for the forward calorimeters had to be redone. This calibration is performed by inter-calibrating the forward electron energy scale using pairs of a central and a forward electron and the previously derived central electron energy calibration. The uncertainty is shown to be dominated by the systematic variations.rnrnThe extraction of wma is performed using chi^2 tests, comparing the measured distribution of AFB in data to a set of template distributions with varied values of wma. The templates are built in a forward folding technique using modified generator level samples and the official fully simulated signal sample with full detector simulation and particle reconstruction and identification. The analysis is performed in two different channels: pairs of central electrons or one central and one forward electron. The results of the two channels are in good agreement and are the first measurements of wma at the Z resonance using electron final states at proton-proton collisions at sqrt(s)=7TeV. The precision of the measurement is already systematically limited mostly by the uncertainties resulting from the knowledge of the parton distribution functions (PDF) and the systematic uncertainties of the energy calibration.rnrnThe extracted results of wma are combined and yield a value of wma_comb = 0.2288 +- 0.0004 (stat.) +- 0.0009 (syst.) = 0.2288 +- 0.0010 (tot.). The measurements are compared to the results of previous measurements at the Z boson resonance. The deviation with respect to the combined result provided by the LEP and SLC experiments is up to 2.7 standard deviations.

In dieser Arbeit wird die Messung des effectiven schwachen Mischungswinkels wma in Proton-Proton-Kollisionen beschrieben. Die Resultate werden aus der Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie (AFB) der Verteilung des Polarwinkels in Elektron-Positron-Endzuständen im ATLAS-Experiment am LHC extrahiert. Der Signalprozess, der in dieser Studie genutzt wird, ist die Reaktion pp to zgamma + X to ee + X unter Berücksichtigung der totalen integrierten Luminosität der Daten von 4,8 fb(-1). Die Daten wurden bei Proton-Proton Schwerpunksenergien von sqrt(s)=7TeV aufgenommen. Der schwache Mischungswinkel is ein zentraler Parameter der elektroschwachen Theorie des Standardmodells und verbinded die Kopplung der neutralen Ströme von Elektromagnetismus und der schwachen Kraft. Korrekturen höherer Ordnung, die zu wma beitragen, beinhalen Abhängigkeiten von weiteren SM-Parametern, wie der Masse des Higgs-Bosons.rnrnWegen der symmetrischen Anfangsbedingungen der kollidierenden Protonen gibt es keine bevorzugte Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung in diesem experimentellen Aufbau. Die Referenzachse, die zur Definition des Polarwinkels dient, wird daher im Bezug auf den longitudinalen Boost des Elektron-Positron-Endzustands definiert. Dies führt dazu, dass für Ereignisse mit einer niedrigen absoluten Rapidität eine höhere Chance besteht, die entgegengesetzte Richtung der Referenzachse zu wählen. Dieser Effekt, der mit dilution'' bezeichnet wird, fällt bei höheren Rapiditäten geringer aus. Er kann unter Hinzunahme der Elektronen und Positronen aus den Vorwärtsregionen der ATLAS-Kalorimeter untersucht werden. Elektronen und Positronen werden im Weiteren als Elektronen zusammengefasst. Um diese Elektronen in den Vorwärtsregionen zu benutzen, muss die Energiekalibraion für die Vorwärtskalorimeter neu bestimmt werden. Diese Kalibration wird durchgeführt, indem die bekannte Energiekalibration der zentralen Elektronen angewendet wird und Paare aus einem Zentralelektron und einem Vorwärtselektron zur Extraktion der Kalibrationskonstanten herangezogen werden. Es wird gezeigt, dass die Unsicherheiten durch die in Betracht gezogenen systematischen Unsicherheiten dominiert sind.rnrnDie Extraktion von wma wird mit Hilfe von chi^2-Tests durchgeführt, in denen die gemessene AFB Verteilung aus Daten mit einem Satz von AFB Template-Verteilungen verglichen werden, in denen der Wert von wma variiert wird. Die Templates werden mit Hilfe einer Vorwärtsfaltungstechnik aus Datensätzen auf Generatorebene und den vollständig simulierten signal Datensatz hergestellt, in dem sowohl der Detektor als auch die Teilchenrekonstruktion und -identifikation simuliert sind. Die Analyse wird in zwei Kanälen durchgeführt: Paare von Zentralelektronen oder einem Zentral- und einem Vorwärtselektron. Die Resultate der beinen Kanäle stimmen gut miteinander überein und sind die ersten Messungen von wma an der Z-Resonanz, in denen Elektronenendzustände in Proton-Proton-Kollisionen bei sqrt(s)=7TeV analysiert werden. Die Präzision der Messung ist bereits systematisch limitiert und hauptsächlich durch die Kenntnis der Parton-Verteilungsfunktionen (PDF) und systematische Unsicherheiten der Energiekalibration gegeben.rnrnDie gemessenen Werte von wma werden miteinander kombiniert und ergeben wma_comb = 0,2288 +- 0,0004 (stat.) +- 0,0009 (syst.) = 0,2288 +- 0,0010 (tot.). Diese Ergebnisse werden mit Resultaten früherer Messungen an der Z-Bosonresonanz verglichen. Die Abweichung zum kombinierten Messwert der LEP und SLC Experimente beträgt dabei bis zu 2,7 Standardabweichungen.