Top-quark pair production at hadron colliders

In this thesis we investigate several phenomenologically important properties of top-quark pair production at hadron colliders. We calculate double differential cross sections in two different kinematical setups, pair invariant-mass (PIM) and single-particle inclusive (1PI) kinematics. In pair invariant-mass kinematics we are able to present results for the double differential cross section with respect to the invariant mass of the top-quark pair and the top-quark scattering angle. Working in the threshold region, where the pair invariant mass M is close to the partonic center-of-mass energy sqrt{hat{s}}, we are able to factorize the partonic cross section into different energy regions. We use renormalization-group (RG) methods to resum large threshold logarithms to next-to-next-to-leading-logarithmic (NNLL) accuracy. On a technical level this is done using effective field theories, such as heavy-quark effective theory (HQET) and soft-collinear effective theory (SCET). The same techniques are applied when working in 1PI kinematics, leading to a calculation of the double differential cross section with respect to transverse-momentum pT and the rapidity of the top quark. We restrict the phase-space such that only soft emission of gluons is possible, and perform a NNLL resummation of threshold logarithms. The obtained analytical expressions enable us to precisely predict several observables, and a substantial part of this thesis is devoted to their detailed phenomenological analysis. Matching our results in the threshold regions to the exact ones at next-to-leading order (NLO) in fixed-order perturbation theory, allows us to make predictions at NLO+NNLL order in RG-improved, and at approximate next-to-next-to-leading order (NNLO) in fixed order perturbation theory. We give numerical results for the invariant mass distribution of the top-quark pair, and for the top-quark transverse-momentum and rapidity spectrum. We predict the total cross section, separately for both kinematics. Using these results, we analyze subleading contributions to the total cross section in 1PI and PIM originating from power corrections to the leading terms in the threshold expansions, and compare them to previous approaches. We later combine our PIM and 1PI results for the total cross section, this way eliminating uncertainties due to these corrections. The combined predictions for the total cross section are presented as a function of the top-quark mass in the pole, the minimal-subtraction (MS), and the 1S mass scheme. In addition, we calculate the forward-backward (FB) asymmetry at the Tevatron in the laboratory, and in the ttbar rest frames as a function of the rapidity and the invariant mass of the top-quark pair at NLO+NNLL. We also give binned results for the asymmetry as a function of the invariant mass and the rapidity difference of the ttbar pair, and compare those to recent measurements. As a last application we calculate the charge asymmetry at the LHC as a function of a lower rapidity cut-off for the top and anti-top quarks.

Measurement of the proton recoil spectrum in neutron beta decay with the spectrometer aSPECT : study of systematic effects

Precision measurements of observables in neutron beta decay address important open questions of particle physics and cosmology. In this thesis, a measurement of the proton recoil spectrum with the spectrometer aSPECT is described. From this spectrum the antineutrino-electron angular correlation coefficient a can be derived. In our first beam time at the FRM II in Munich, background instabilities prevented us from presenting a new value for a. In the latest beam time at the ILL in Grenoble, the background has been reduced sufficiently. As a result of the data analysis, we identified and fixed a problem in the detector electronics which caused a significant systematic error. The aim of the latest beam time was a new value for a with an error well below the present literature value of 4%. A statistical accuracy of about 1.4% was reached, but we could only set upper limits on the correction of the problem in the detector electronics, too high to determine a meaningful result. This thesis focused on the investigation of different systematic effects. With the knowledge of the systematics gained in this thesis, we are able to improve aSPECT to perform a 1% measurement of a in a further beam time.

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 high mass resonances decaying into electron-positron pairs in proton-proton collisions at sqrt(s) = 7 TeV with the ATLAS detector

The Standard Model of particle physics was developed to describe the fundamental particles, which form matter, and their interactions via the strong, electromagnetic and weak force. Although most measurements are described with high accuracy, some observations indicate that the Standard Model is incomplete. Numerous extensions were developed to solve these limitations. Several of these extensions predict heavy resonances, so-called Z' bosons, that can decay into an electron positron pair. The particle accelerator Large Hadron Collider (LHC) at CERN in Switzerland was built to collide protons at unprecedented center-of-mass energies, namely 7 TeV in 2011. With the data set recorded in 2011 by the ATLAS detector, a large multi-purpose detector located at the LHC, the electron positron pair mass spectrum was measured up to high masses in the TeV range. The properties of electrons and the probability that other particles are mis-identified as electrons were studied in detail. Using the obtained information, a sophisticated Standard Model expectation was derived with data-driven methods and Monte Carlo simulations. In the comparison of the measurement with the expectation, no significant deviations from the Standard Model expectations were observed. Therefore exclusion limits for several Standard Model extensions were calculated. For example, Sequential Standard Model (SSM) Z' bosons with masses below 2.10 TeV were excluded with 95% Confidence Level (C.L.).

Applications of SCET to the pair production of supersymmetric particles at hadron colliders

In this thesis we investigate the phenomenology of supersymmetric particles at hadron colliders beyond next-to-leading order (NLO) in perturbation theory. We discuss the foundations of Soft-Collinear Effective Theory (SCET) and, in particular, we explicitly construct the SCET Lagrangian for QCD. As an example, we discuss factorization and resummation for the Drell-Yan process in SCET. We use techniques from SCET to improve existing calculations of the production cross sections for slepton-pair production and top-squark-pair production at hadron colliders. As a first application, we implement soft-gluon resummation at next-to-next-to-next-to-leading logarithmic order (NNNLL) for slepton-pair production in the minimal supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM). This approach resums large logarithmic corrections arising from the dynamical enhancement of the partonic threshold region caused by steeply falling parton luminosities. We evaluate the resummed invariant-mass distribution and total cross section for slepton-pair production at the Tevatron and LHC and we match these results, in the threshold region, onto NLO fixed-order calculations. As a second application we present the most precise predictions available for top-squark-pair production total cross sections at the LHC. These results are based on approximate NNLO formulas in fixed-order perturbation theory, which completely determine the coefficients multiplying the singular plus distributions. The analysis of the threshold region is carried out in pair invariant mass (PIM) kinematics and in single-particle inclusive (1PI) kinematics. We then match our results in the threshold region onto the exact fixed-order NLO results and perform a detailed numerical analysis of the total cross section.

Exclusive vector meson production in pp collisions at the COMPASS experiment

Produktionsmechanismen für Teilchenproduktion im mittleren Energiebereich wurden in Proton-Proton Kollisionen innerhalb der COMPASS-Kollaboration mit Hilfe des COMPASS-Spektrometers am SPS Beschleuniger am CERN untersucht. Die verschiedenen Produktionsmechanismen werden mittels Produktion der Vektormesonen omega und phi studiert und können die diffraktive Anregung des Strahlteilchens mit anschliessendem Zerfall der Resonanz, zentrale Produktion und den damit verwandten “Shake-off” Mechanismus enthalten. Die für diese Arbeit verwendeten Daten wurden in den Jahren 2008 und 2009 mit 190 GeV/c-Protonen aufgenommen, die auf ein Flüssigwasserstofftarget trafen. Das Target war von einem Rückstoßprotonendetektor umgeben, der ein integraler Bestandteil des neuentwickelten Hadrontriggersystems ist. Für dieses System wurden außerdem einige neue Detektoren gebaut. Die Leistungsfähigkeit des Rückstoßprotonendetektors und des Triggersystems wird untersucht und Effizienzen extrahiert. Außerdem wird sowohl eine Methode zur Rekonstruktion von Rückstoßprotonen als auch eine Methode zur Kalibration des Rückstoßprotonendetektors entwickelt und beschrieben. Die Produktion von omega-Mesonen wurde in der Reaktion pp -> p omega p, omega -> pi+pi-pi0 und die Produktion von phi-Mesonen in der Reaktion pp -> p phi p, phi -> K+K- bei einem Impulsübertrag zwischen 0.1 (GeV/c)^2 und 1 (GeV/c)^2 gemessen. Das Produktionsverhältnis s(pp -> p phi p)/s(pp -> p omega p) wird als Funktion des longitudinalen Impulsanteils xF bestimmt und mit der Vorhersage durch die Zweigregel verglichen. Es ergibt sich eine signifikante Verletzung der Zweigregel, die abhängig von xF ist. Die Verletzung wird in Verbindung zu resonanten Strukturen im pomega-Massenspektrum diskutiert. Die xF-Abhängigkeit verschwindet, wenn man die Region niedriger pomega- und pphi-Masse entfernt, die solche resonanten Strukturen aufweist. Zusätzlich wird die Spinausrichtung bzw. das Spindichtematrixelement rho00 für omega- und phi-Mesonen untersucht. Die Spinausrichtung wird im Helizitätssystemrnanalysiert, welches für eine Abgrenzung von resonanten, diffraktiven Anregungen geeignet ist. Außerdem wird die Spinausrichtung in einem Referenzsystem mit Bezug auf die Richtung des Impulsübertrags untersucht, mit dessen Hilfe zentrale Prozesse wie zentrale Produktion oder “shake-off” abgegrenzt werden. Auch hier wird eine Abhängigkeit von xF und der invarianten Masse des pomega-Systems beobachtet. Diese Abhängigkeit kann wieder auf die resonanten Strukturen in der Produktion von omega-Mesonen zurückgeführt werden. Die Ergebnisse werden abschließend im Hinblick auf die verschiedenen Produktionsmechanismen diskutiert.

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.