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.

Search for supersymmetry in final states with jets, missing transverse energy and one charged lepton with the ATLAS-experiment

Im Jahr 2011 wurde am Large Hadron Collider mit dem ATLAS Experiment ein Datensatz von 4.7 inversen Femtobarn bei einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV aufgezeichnet. Teil des umfangreichen Physikprogrammes des ATLAS Experiments ist die Suche nach Physik jenseits des Standardmodells. Supersymmetrie - eine neue Symmetrie zwischen Bosonen und Fermionen - wird als aussichtsreichester Kandidat für neue Physik angesehen, und zahlreiche direkte und indirekte Suchen nach Supersymmetrie wurden in den letzten Jahrzehnten bereits durchgeführt. In der folgenden Arbeit wird eine direkte Suche nach Supersymmetrie in Endzuständen mit Jets, fehlender Transversalenergie und genau einem Elektron oder Myon durchgeführt. Der analysierte Datensatz von 4.7 inversen Femtobarn umfasst die gesamte Datenmenge, welche am ATLAS Experiment bei einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV aufgezeichnet wurde. Die Ergebnisse der Analyse werden mit verschiedenen anderen leptonischen Suchkanälen kombiniert, um die Sensitivität auf diversen supersymmetrischen Produktions- und Zerfallsmodi zu maximieren. Die gemessenen Daten sind kompatibel mit der Standardmodellerwartung, und neue Ausschlussgrenzen in verschiedenen supersymmetrischen Modellen werden berechnet.

Suche nach einem leichten Higgs-Boson im Kanal WH ev e bb in pp-Kollisionen bei s=1.96 TeV am DO-Detektor des Tevatron

Eine wichtige Komponente des Standardmodells der Teilchenphysik bildet der Higgs-Mechanismus, der benötigt wird um den vom Standardmodell beschriebenen Teilchen Masse zu verleihen. Dieser Mechanismus beinhaltet jedoch ein weiteres schweres Elementarteilchen das bislang noch nich beobachtet werden konnte. Die Suche nach diesem Teilchen ist eines Hauptziele der derzeitigen Forschung an Teilchenbeschleunigern. Diese Arbeit untersucht die vom D0-Detektor am Tevatron des Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL) aufgezeichneten Daten von ppbar-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt{s}=1.96 TeV, um im Kanal WH -> enu bb nach einem leichten Higgs-Boson zu suchen. Darüber hinaus wird der Produktionswirkungsquerschnitt der Wbb-Produktion ermittelt. Für die Analyse stand eine integrierte Luminosität von L=255pb^{-1} zur Verfügung. Zur Selektion dieser Prozesse, werden Ereignisse ausgewählt, die Elektronen und fehlenden Transversalimpuls enthalten, sowie mindestens zwei Jets, die sich als b-Jets identifizieren lassen. Um eine effiziente Selektion zu erhalten, wurden Schnitte auf verschiedene Kenngrößen entwickelt, getestet und optimiert. Aus den selektierten Ereignissen wird der Wbb-Wirkungsquerschnitt ermittelt, der für Ereignisse angegeben wird, in denen die b-Quarks p_T>8 GeV und |eta|<3 erfüllen. Der unter Berücksichtigung des Verzweigungsverhältnisses BR(W->enu)=0.108 errechnete Wert ist sigma(Wbb)=21.8 pb (+15.5; -20.0 pb(sys+stat)). Wegen der geringen Signifikanz der Messung von etwa 1.2sigma wurden die Ereigniszahlen auch zur Berechnung einer oberen Grenze auf den Wirkungsquerschnitt verwendet, die sich bei einem Konfidenzniveau von 95% zu sigma^95(Wbb)=60.9pb ergibt. Ebenso wurden Grenzen auf den WH-Produktionswirkungsquerschnitt ermittelt. Dafür wurde die statistische Methode von Feldman und Cousins angewandt, nachdem sie nach den Vorschlägen von Conrad et al. erweitert worden war, um systematische Unsicherheiten zu berücksichtigen. Für ein Standardmodell Higgs-Boson der Masse 115 GeV kann eine obere Grenze auf den Produktionswirkungsquerschnitt von sigma^{95} (WH)=12.2pb angegeben werden. Für höhere Massen bis 135 GeV werden ähnliche Grenzen ermittelt.

Factorization and non-local 1/m b corrections in the decay B X s gamma

In this thesis, a systematic analysis of the bar B to X_sgamma photon spectrum in the endpoint region is presented. The endpoint region refers to a kinematic configuration of the final state, in which the photon has a large energy m_b-2E_gamma = O(Lambda_QCD), while the jet has a large energy but small invariant mass. Using methods of soft-collinear effective theory and heavy-quark effective theory, it is shown that the spectrum can be factorized into hard, jet, and soft functions, each encoding the dynamics at a certain scale. The relevant scales in the endpoint region are the heavy-quark mass m_b, the hadronic energy scale Lambda_QCD and an intermediate scale sqrt{Lambda_QCD m_b} associated with the invariant mass of the jet. It is found that the factorization formula contains two different types of contributions, distinguishable by the space-time structure of the underlying diagrams. On the one hand, there are the direct photon contributions which correspond to diagrams with the photon emitted directly from the weak vertex. The resolved photon contributions on the other hand arise at O(1/m_b) whenever the photon couples to light partons. In this work, these contributions will be explicitly defined in terms of convolutions of jet functions with subleading shape functions. While the direct photon contributions can be expressed in terms of a local operator product expansion, when the photon spectrum is integrated over a range larger than the endpoint region, the resolved photon contributions always remain non-local. Thus, they are responsible for a non-perturbative uncertainty on the partonic predictions. In this thesis, the effect of these uncertainties is estimated in two different phenomenological contexts. First, the hadronic uncertainties in the bar B to X_sgamma branching fraction, defined with a cut E_gamma > 1.6 GeV are discussed. It is found, that the resolved photon contributions give rise to an irreducible theory uncertainty of approximately 5 %. As a second application of the formalism, the influence of the long-distance effects on the direct CP asymmetry will be considered. It will be shown that these effects are dominant in the Standard Model and that a range of -0.6 < A_CP^SM < 2.8 % is possible for the asymmetry, if resolved photon contributions are taken into account.

Efficient calculation of gluon amplitudes with n legs and an implementation of parton showers using the dipole formalism

The conventional way to calculate hard scattering processes in perturbation theory using Feynman diagrams is not efficient enough to calculate all necessary processes - for example for the Large Hadron Collider - to a sufficient precision. Two alternatives to order-by-order calculations are studied in this thesis.rnrnIn the first part we compare the numerical implementations of four different recursive methods for the efficient computation of Born gluon amplitudes: Berends-Giele recurrence relations and recursive calculations with scalar diagrams, with maximal helicity violating vertices and with shifted momenta. From the four methods considered, the Berends-Giele method performs best, if the number of external partons is eight or bigger. However, for less than eight external partons, the recursion relation with shifted momenta offers the best performance. When investigating the numerical stability and accuracy, we found that all methods give satisfactory results.rnrnIn the second part of this thesis we present an implementation of a parton shower algorithm based on the dipole formalism. The formalism treats initial- and final-state partons on the same footing. The shower algorithm can be used for hadron colliders and electron-positron colliders. Also massive partons in the final state were included in the shower algorithm. Finally, we studied numerical results for an electron-positron collider, the Tevatron and the Large Hadron Collider.

Tracking, b-tagging and measurement of the b-jet production cross section with the ATLAS detector

The Standard Model of elementary particle physics was developed to describe the fundamental particles which constitute matter and the interactions between them. The Large Hadron Collider (LHC) at CERN in Geneva was built to solve some of the remaining open questions in the Standard Model and to explore physics beyond it, by colliding two proton beams at world-record centre-of-mass energies. The ATLAS experiment is designed to reconstruct particles and their decay products originating from these collisions. The precise reconstruction of particle trajectories plays an important role in the identification of particle jets which originate from bottom quarks (b-tagging). This thesis describes the step-wise commissioning of the ATLAS track reconstruction and b-tagging software and one of the first measurements of the b-jet production cross section in pp collisions at sqrt(s)=7 TeV with the ATLAS detector. The performance of the track reconstruction software was studied in great detail, first using data from cosmic ray showers and then collisions at sqrt(s)=900 GeV and 7 TeV. The good understanding of the track reconstruction software allowed a very early deployment of the b-tagging algorithms. First studies of these algorithms and the measurement of the b-tagging efficiency in the data are presented. They agree well with predictions from Monte Carlo simulations. The b-jet production cross section was measured with the 2010 dataset recorded by the ATLAS detector, employing muons in jets to estimate the fraction of b-jets. The measurement is in good agreement with the Standard Model predictions.

Measurement of the inclusive jet cross section in proton-proton collisions at root out s = 7 TeV with the ATLAS detector

The dominant process in hard proton-proton collisions is the production of hadronic jets.rnThese sprays of particles are produced by colored partons, which are struck out of their confinement within the proton.rnPrevious measurements of inclusive jet cross sections have provided valuable information for the determination of parton density functions and allow for stringent tests of perturbative QCD at the highest accessible energies.rnrnThis thesis will present a measurement of inclusive jet cross sections in proton-proton collisions using the ATLAS detector at the LHC at a center-of-mass energy of 7 TeV.rnJets are identified using the anti-kt algorithm and jet radii of R=0.6 and R=0.4.rnThey are calibrated using a dedicated pT and eta dependent jet calibration scheme.rnThe cross sections are measured for 40 GeV < pT <= 1 TeV and |y| < 2.8 in four bins of absolute rapidity, using data recorded in 2010 corresponding to an integrated luminosity of 3 pb^-1.rnThe data is fully corrected for detector effects and compared to theoretical predictions calculated at next-to-leading order including non-perturbative effects.rnThe theoretical predictions are found to agree with data within the experimental and theoretic uncertainties.rnrnThe ratio of cross sections for R=0.4 and R=0.6 is measured, exploiting the significant correlations of the systematic uncertainties, and is compared to recently developed theoretical predictions.rnThe underlying event can be characterized by the amount of transverse momentum per unit rapidity and azimuth, called rhoue.rnUsing analytical approaches to the calculation of non-perturbative corrections to jets, rhoue at the LHC is estimated using the ratio measurement.rnA feasibility study of a combined measurement of rhoue and the average strong coupling in the non-perturbative regime alpha_0 is presented and proposals for future jet measurements at the LHC are made.

Supersymmetry searches in the single lepton final state with the ATLAS detector

This thesis presents an analysis for the search of Supersymmetry with the ATLAS detector at the LHC. The final state with one lepton, several coloured particles and large missing transverse energy was chosen. Particular emphasis was placed on the optimization of the requirements for lepton identification. This optimization showed to be particularly useful when combining with multi-lepton selections. The systematic error associated with the higher order QCD diagrams in Monte Carlo production is given particular focus. Methods to verify and correct the energy measurement of hadronic showers are developed. Methods for the identification and removal of mismeasurements caused by the detector are found in the single muon and four jet environment are applied. A new detector simulation system is shown to provide good prospects for future fast Monte Carlo production. The analysis was performed for $35pb^{-1}$ and no significant deviation from the Standard Model is seen. Exclusion limits subchannel for minimal Supergravity. Previous limits set by Tevatron and LEP are extended.

Supersymmetry searches in dilepton final states with the ATLAS experiment

One of the main goals of the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN in Geneva is the search for new physics beyond the Standard Model. In 2011, proton-proton collisions were performed at the LHC at a center of mass energy of 7 TeV and an integrated luminosity of 4.7 fb^{-1} was recorded. This dataset can be tested for one of the most promising theories beyond limits achieved thus far: supersymmetry. Final states in supersymmetry events at the LHC contain highly energetic jets and sizeable missing transverse energy. The additional requirement of events with highly energetic leptons simplifies the control of the backgrounds. This work presents results of a search for supersymmetry in the inclusive dilepton channel. Special emphasis is put on the search within the Gauge-Mediated Symmetry Breaking (GMSB) scenario in which the supersymmetry breaking is mediated via gauge fields. Statistically independent Control Regionsrnfor the dominant Standard Model backgrounds as well as Signal Regions for a discovery of a possible supersymmetry signal are defined and optimized. A simultaneous fit of the background normalizations in the Control Regions via the profile likelihood method allows for a precise prediction of the backgrounds in the Signal Regions and thus increases the sensitivity to several supersymmetry models. Systematic uncertainties on the background prediction are constrained via the jet multiplicity distribution in the Control Regions driven by data. The observed data are consistent with the Standard Model expectation. New limits within the GMSB and the minimal Supergravity (mSUGRA) scenario as well as for several simplified supersymmetry models are set or extended.

Stacked searches for high-energy neutrinos from blazars with IceCube

In the year 2013, the detection of a diffuse astrophysical neutrino flux with the IceCube neutrino telescope – constructed at the geographic South Pole – was announced by the IceCube collaboration. However, the origin of these neutrinos is still unknown as no sources have been identified to this day. Promising neutrino source candidates are blazars, which are a subclass of active galactic nuclei with radio jets pointing towards the Earth. In this thesis, the neutrino flux from blazars is tested with a maximum likelihood stacking approach, analyzing the combined emission from uniform groups of objects. The stacking enhances the sensitivity w.r.t. the still unsuccessful single source searches. The analysis utilizes four years of IceCube data including one year from the completed detector. As all results presented in this work are compatible with background, upper limits on the neutrino flux are given. It is shown that, under certain conditions, some hadronic blazar models can be challenged or even rejected. Moreover, the sensitivity of this analysis – and any other future IceCube point source search – was enhanced by the development of a new angular reconstruction method. It is based on a detailed simulation of the photon propagation in the Antarctic ice. The median resolution for muon tracks, induced by high-energy neutrinos, is improved for all neutrino energies above IceCube’s lower threshold at 0.1TeV. By reprocessing the detector data and simulation from the year 2010, it is shown that the new method improves IceCube’s discovery potential by 20% to 30% depending on the declination.

Efficient algorithms for NLO QCD event generators

In this thesis we present techniques that can be used to speed up the calculation of perturbative matrix elements for observables with many legs ($n = 3, 4, 5, 6, 7, ldots$). We investigate several ways to achieve this, including the use of Monte Carlo methods, the leading-color approximation, numerically less precise but faster operations, and SSE-vectorization. An important idea is the use of enquote{random polarizations} for which we derive subtraction terms for the real corrections in next-to-leading order calculations. We present the effectiveness of all these methods in the context of electron-positron scattering to $n$ jets, $n$ ranging from two to seven.

Probing quantum chromodynamics with the ATLAS detector : charged-particle event shape variables and the dijet cross-section

Die Quantenchromodynamik ist die zugrundeliegende Theorie der starken Wechselwirkung und kann in zwei Bereiche aufgeteilt werden. Harte Streuprozesse, wie zum Beispiel die Zwei-Jet-Produktion bei hohen invarianten Massen, können störungstheoretisch behandelt und berechnet werden. Bei Streuprozessen mit niedrigen Impulsüberträgen hingegen ist die Störungstheorie nicht mehr anwendbar und phänemenologische Modelle werden für Vorhersagen benutzt. Das ATLAS Experiment am Large Hadron Collider am CERN ermöglicht es, QCD Prozesse bei hohen sowie niedrigen Impulsüberträgen zu untersuchen. In dieser Arbeit werden zwei Analysen vorgestellt, die jeweils ihren Schwerpunkt auf einen der beiden Regime der QCD legen:rnDie Messung von Ereignisformvariablen bei inelastischen Proton--Proton Ereignissen bei einer Schwerpunktsenergie von $sqrt{s} = unit{7}{TeV}$ misst den transversalen Energiefluss in hadronischen Ereignissen. rnDie Messung des zweifachdifferentiellen Zwei-Jet-Wirkungsquerschnittes als Funktion der invarianten Masse sowie der Rapiditätsdifferenz der beiden Jets mit den höchsten Transversalimpulsen kann genutzt werden um Theorievorhersagen zu überprüfen. Proton--Proton Kollisionen bei $sqrt{s} = unit{8}{TeV}$, welche während der Datennahme im Jahr 2012 aufgezeichnet wurden, entsprechend einer integrierten Luminosität von $unit{20.3}{fb^{-1}}$, wurden analysiert.rn

High precision tools for slepton pair production processes at hadron colliders

In this thesis, we develop high precision tools for the simulation of slepton pair production processes at hadron colliders and apply them to phenomenological studies at the LHC. Our approach is based on the POWHEG method for the matching of next-to-leading order results in perturbation theory to parton showers. We calculate matrix elements for slepton pair production and for the production of a slepton pair in association with a jet perturbatively at next-to-leading order in supersymmetric quantum chromodynamics. Both processes are subsequently implemented in the POWHEG BOX, a publicly available software tool that contains general parts of the POWHEG matching scheme. We investigate phenomenological consequences of our calculations in several setups that respect experimental exclusion limits for supersymmetric particles and provide precise predictions for slepton signatures at the LHC. The inclusion of QCD emissions in the partonic matrix elements allows for an accurate description of hard jets. Interfacing our codes to the multi-purpose Monte-Carlo event generator PYTHIA, we simulate parton showers and slepton decays in fully exclusive events. Advanced kinematical variables and specific search strategies are examined as means for slepton discovery in experimentally challenging setups.