Pions to quarks : particle physics in the 1950s : based on a Fermilab symposium /

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Results and perspectives in particle physics : Les Rencontres de physique de la

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New theories in physics : proceedings of the XI Warsaw Symposium on Elementary Particle Physics, 23-27 May, 1988, Kazimierz, Poland /

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Introduction to elementary particle physics

Includes bibliography.

Nichtkommutative Geometrie und Quantisierung von Raumzeiten und Konfigurationsr��umen

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik istexperimentell hervorragend best��tigt, hat auf theoretischerSeite jedoch unbefriedigende Aspekte: Zum einen wird derHiggssektor der Theorie von Hand eingef��gt, und zum anderenunterscheiden sich die Beschreibung des beobachtetenTeilchenspektrums und der Gravitationfundamental. Diese beiden Nachteile verschwinden, wenn mandas Standardmodell in der Sprache der NichtkommutativenGeometrie formuliert. Ziel hierbei ist es, die Raumzeit der physikalischen Theoriedurch algebraische Daten zu erfassen. Beispielsweise stecktdie volle Information ��ber eine RiemannscheSpinmannigfaltigkeit M in dem Datensatz (A,H,D), den manspektrales Tripel nennt. A ist hierbei die kommutativeAlgebra der differenzierbaren Funktionen auf M, H ist derHilbertraum der quadratintegrablen Spinoren ��ber M und D istder Diracoperator. Mit Hilfe eines solchen Tripels (zu einer nichtkommutativenAlgebra) lassen sich nun sowohl Gravitation als auch dasStandardmodell mit mathematisch ein und demselben Mittelerfassen. In der vorliegenden Arbeit werden nulldimensionale spektraleTripel (die diskreten Raumzeiten entsprechen) zun��chstklassifiziert und in Beispielen wird eine Quantisierungsolcher Objekte durchgef��hrt. Ein Problem der spektralenTripel stellt ihre Beschr��nkung auf echt RiemannscheMetriken dar. Zu diesem Problem werden L��sungsans��tzepr��sentiert. Im abschlie��enden Kapitel der Arbeit wird dersogenannte 'Feynman-Beweis der Maxwellgleichungen' aufnichtkommutative Konfigurationsr��ume verallgemeinert.

Verwendung von Pr��zisionsmessungen zur Eingrenzung von Effekten jenseits des Standardmodells mittels eines effektiven feldtheoretischen Zugangs

Es gibt kaum eine pr��zisere Beschreibung der Natur als die durch das Standardmodell der Elementarteilchen (SM). Es ist in der Lage bis auf wenige Ausnahmen, die Physik der Materie- und Austauschfelder zu beschreiben. Dennoch ist man interessiert an einer umfassenderen Theorie, die beispielsweise auch die Gravitation mit einbezieht, Neutrinooszillationen beschreibt, und die dar��ber hinaus auch weitere offene Fragen kl��rt. Um dieser Theorie ein St��ck n��her zu kommen, befasst sich die vorliegende Arbeit mit einem effektiven Potenzreihenansatz zur Beschreibung der Physik des Standardmodells und neuer Ph��nomene. Mit Hilfe eines Massenparameters und einem Satz neuer Kopplungskonstanten wird die Neue Physik parametrisiert. In niedrigster Ordnung erh��lt man das bekannte SM, Terme h��herer Ordnung in der Kopplungskonstanten beschreiben die Effekte jenseits des SMs. Aus gewissen Symmetrie-Anforderungen heraus ergibt sich eine definierte Anzahl von effektiven Operatoren mit Massendimension sechs, die den hier vorgestellten Rechnungen zugrunde liegen. Wir berechnen zun��chst f��r eine bestimmte Auswahl von Prozessen zugeh��rige Zerfallsbreiten bzw. Wirkungsquerschnitte in einem Modell, welches das SM um einen einzigen neuen effektiven Operator erweitertet. Unter der Annahme, dass der zus��tzliche Beitrag zur Observablen innerhalb des experimentellen Messfehlers ist, geben wir anhand von vorliegenden experimentellen Ergebnissen aus leptonischen und semileptonischen Pr��zisionsmessungen Ausschlussgrenzen der neuen Kopplungen in Abh��ngigkeit von dem Massenparameter an. Die hier angef��hrten Resultate versetzen Physiker zum Einen in die Lage zu beurteilen, bei welchen gemessenen Observablen eine Erh��hung der Pr��zision sinnvoll ist, um bessere Ausschlussgrenzen angeben zu k��nnen. Zum anderen erh��lt man einen Anhaltspunkt, welche Prozesse im Hinblick auf Entdeckungen Neuer Physik interessant sind.

Theoretical analysis of hidden photon searches in high-precision experiments

Although the Standard Model of particle physics (SM) provides an extremely successful description of the ordinary matter, one knows from astronomical observations that it accounts only for around 5% of the total energy density of the Universe, whereas around 30% are contributed by the dark matter. Motivated by anomalies in cosmic ray observations and by attempts to solve questions of the SM like the (g-2)_mu discrepancy, proposed U(1) extensions of the SM gauge group have raised attention in recent years. In the considered U(1) extensions a new, light messenger particle, the hidden photon, couples to the hidden sector as well as to the electromagnetic current of the SM by kinetic mixing. This allows for a search for this particle in laboratory experiments exploring the electromagnetic interaction. Various experimental programs have been started to search for hidden photons, such as in electron-scattering experiments, which are a versatile tool to explore various physics phenomena. One approach is the dedicated search in fixed-target experiments at modest energies as performed at MAMI or at JLAB. In these experiments the scattering of an electron beam off a hadronic target e+(A,Z)->e+(A,Z)+l^+l^- is investigated and a search for a very narrow resonance in the invariant mass distribution of the lepton pair is performed. This requires an accurate understanding of the theoretical basis of the underlying processes. For this purpose it is demonstrated in the first part of this work, in which way the hidden photon can be motivated from existing puzzles encountered at the precision frontier of the SM. The main part of this thesis deals with the analysis of the theoretical framework for electron scattering fixed-target experiments searching for hidden photons. As a first step, the cross section for the bremsstrahlung emission of hidden photons in such experiments is studied. Based on these results, the applicability of the Weizs��cker-Williams approximation to calculate the signal cross section of the process, which is widely used to design such experimental setups, is investigated. In a next step, the reaction e+(A,Z)->e+(A,Z)+l^+l^- is analyzed as signal and background process in order to describe existing data obtained by the A1 experiment at MAMI with the aim to give accurate predictions of exclusion limits for the hidden photon parameter space. Finally, the derived methods are used to find predictions for future experiments, e.g., at MESA or at JLAB, allowing for a comprehensive study of the discovery potential of the complementary experiments. In the last part, a feasibility study for probing the hidden photon model by rare kaon decays is performed. For this purpose, invisible as well as visible decays of the hidden photon are considered within different classes of models. This allows one to find bounds for the parameter space from existing data and to estimate the reach of future experiments.

The Search for New Resonances in Strong Symmetry Breaking Scenarios with the ATLAS Detector

Utilisant les plus re��centes donne��es recueillies par le de��tecteur ATLAS lors de collisions pp a�� 7 et 8 TeV au LHC, cette the��se e��tablira des contraintes se��ve��res sur une multitude de mode��les allant au-dela�� du mode��le standard (MS) de la physique des particules. Plus particulie��rement, deux types de particules hypothe��tiques, existant dans divers mode��les the��oriques et qui ne sont pas pre��sentes dans le MS, seront e��tudie��s et sonde��s. Le premier type e��tudie�� sera les quarks-vectoriels (QV) produits lors de collisions pp par l���entremise de couplages e��lectrofaibles avec les quarks le��gers u et d. On recherchera ces QV lorsqu���ils se de��sinte��grent en un boson W ou Z, et un quark le��ger. Des arguments the��oriques e��tablissent que sous certaines conditions raisonnables la production simple dominerait la production en paires des QV. La topologie particulie��re des e��ve��nements en production simple des QV permettra alors la mise en oeuvre de techniques d���optimisation efficaces pour leur extraction des bruits de fond e��lectrofaibles. Le deuxie��me type de particules recherche�� sera celles qui se de��sinte��grent en WZ lorsque ces bosons de jauges W, et Z se de��sinte��grent leptoniquement. Les e��tats finaux de��tecte��s par ATLAS seront par conse��quent des e��ve��nements ayant trois leptons et de l���e��nergie transverse manquante. La distribution de la masse invariante de ces objets sera alors examine��e pour de��terminer la pre��sence ou non de nouvelles re��sonances qui se manifesterait par un exce��s localise��. Malgre�� le fait qu���a�� premie��re vue ces deux nouveaux types de particules n���ont que tre��s peu en commun, ils ont en re��alite�� tous deux un lien e��troit avec la brisure de syme��trie e��lectrofaible. Dans plusieurs mode��les the��oriques, l���existence hypothe��tique des QV est propose�� pour annuler les contributions du quark top aux corrections radiatives de la masse du Higgs du MS. Paralle��lement, d���autres mode��les pre��disent quant a�� eux des re��sonances en WZ tout en sugge��rant que le Higgs est une particule composite, chambardant ainsi tout le sector Higgs du MS. Ainsi, les deux analyses pre��sente��es dans cette the��se ont un lien fondamental avec la nature me��me du Higgs, e��largissant par le fait me��me nos connaissances sur l���origine de la masse intrinse��que des particules. En fin de compte, les deux analyses n���ont pas observe�� d���exce��s significatif dans leurs re��gions de signal respectives, ce qui permet d���e��tablir des limites sur la section efficace de production en fonction de la masse des re��sonances.

Bestimmung der fehlenden transversalen Energie auf der ersten Triggerstufe beim ATLAS-Experiment und Optimierung der Triggerselektion von supersymmetrischen Ereignissen

Das Standardmodell der Teilchenphysik, das drei der vier fundamentalen Wechselwirkungen beschreibt, stimmt bisher sehr gut mit den Messergebnissen der Experimente am CERN, dem Fermilab und anderen Forschungseinrichtungen ��berein. rnAllerdings k��nnen im Rahmen dieses Modells nicht alle Fragen der Teilchenphysik beantwortet werden. So l��sst sich z.B. die vierte fundamentale Kraft, die Gravitation, nicht in das Standardmodell einbauen.rnDar��ber hinaus hat das Standardmodell auch keinen Kandidaten f��r dunkle Materie, die nach kosmologischen Messungen etwa 25 % unseres Universum ausmacht.rnAls eine der vielversprechendsten L��sungen f��r diese offenen Fragen wird die Supersymmetrie angesehen, die eine Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen einf��hrt. rnAus diesem Modell ergeben sich sogenannte supersymmetrische Teilchen, denen jeweils ein Standardmodell-Teilchen als Partner zugeordnet sind.rnEin m��gliches Modell dieser Symmetrie ist das R-Parit��tserhaltende mSUGRA-Modell, falls Supersymmetrie in der Natur realisiert ist.rnIn diesem Modell ist das leichteste supersymmetrische Teilchen (LSP) neutral und schwach wechselwirkend, sodass es nicht direkt im Detektor nachgewiesen werden kann, sondern indirekt ��ber die vom LSP fortgetragene Energie, die fehlende transversale Energie (etmiss), nachgewiesen werden muss.rnrnDas ATLAS-Experiment wird 2010 mit Hilfe des pp-Beschleunigers LHC mit einer Schwerpunktenergie von sqrt(s)=7-10 TeV mit einer Luminosit��t von 10^32 #/(cm^2*s) mit der Suche nach neuer Physik starten.rnDurch die sehr hohe Datenrate, resultierend aus den etwa 10^8 Auslesekan��len des ATLAS-Detektors bei einer Bunchcrossingrate von 40 MHz, wird ein Triggersystem ben��tigt, um die zu speichernde Datenmenge zu reduzieren.rnDabei muss ein Kompromiss zwischen der verf��gbaren Triggerrate und einer sehr hohen Triggereffizienz f��r die interessanten Ereignisse geschlossen werden, da etwa nur jedes 10^8-te Ereignisse f��r die Suche nach neuer Physik interessant ist.rnZur Erf��llung der Anforderungen an das Triggersystem wird im Experiment ein dreistufiges System verwendet, bei dem auf der ersten Triggerstufe mit Abstand die h��chste Datenreduktion stattfindet.rnrnIm Rahmen dieser Arbeit rn%, die vollst��ndig auf Monte-Carlo-Simulationen basiert, rnist zum einen ein wesentlicher Beitrag zum grundlegenden Verst��ndnis der Eigenschaft der fehlenden transversalen Energie auf der ersten Triggerstufe geleistet worden.rnZum anderen werden Methoden vorgestellt, mit denen es m��glich ist, die etmiss-Triggereffizienz f��r Standardmodellprozesse und m��gliche mSUGRA-Szenarien aus Daten zu bestimmen. rnBei der Optimierung der etmiss-Triggerschwellen f��r die erste Triggerstufe ist die Triggerrate bei einer Luminosit��t von 10^33 #/(cm^2*s) auf 100 Hz festgelegt worden.rnF��r die Triggeroptimierung wurden verschiedene Simulationen ben��tigt, bei denen eigene Entwicklungsarbeit eingeflossen ist.rnMit Hilfe dieser Simulationen und den entwickelten Optimierungsalgorithmen wird gezeigt, dass trotz der niedrigen Triggerrate das Entdeckungspotential (f��r eine Signalsignifikanz von mindestens 5 sigma) durch Kombinationen der etmiss-Schwelle mit Lepton bzw. Jet-Triggerschwellen gegen��ber dem bestehenden ATLAS-Triggermen�� auf der ersten Triggerstufe um bis zu 66 % erh��ht wird.

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.

Evidence for the spin-0 nature of the Higgs boson using ATLAS data

Studies of the spin and parity quantum numbers of the Higgs boson are presented, based on protonproton collision data collected by the ATLAS experiment at the LHC. The Standard Model spin-parity J(P) = 0(+) hypothesis is compared with alternative hypotheses using the Higgs boson decays H -> gamma gamma, H -> ZZ* -> 4l and H -> WW* -> l nu l nu, as well as the combination of these channels. The analysed dataset corresponds to an integrated luminosity of 20.7 fb(-1) collected at a centre-of-mass energy of root s = 8 TeV. For the H -> ZZ* -> 4l decay mode the dataset corresponding to an integrated luminosity of 4.6 fb(-1) collected at root s = 7 TeV is included. The data are compatible with the Standard Model J(P) = 0+ quantum numbers for the Higgs boson, whereas all alternative hypotheses studied in this Letter, namely some specific J(P) = 0(-), 1(+), 1(-), 2(+) models, are excluded at confidence levels above 97.8%. This exclusion holds independently of the assumptions on the coupling strengths to the Standard Model particles and in the case of the J(P) = 2(+) model, of the relative fractions of gluon-fusion and quark-antiquark production of the spin-2 particle. The data thus provide evidence for the spin-0 nature of the Higgs boson, with positive parity being strongly preferred.

Measurement of inclusive jet charged-particle fragmentation functions in Pb+Pb collisions at ���sNN = 2.76 TeV with the ATLAS detector

Measurements of charged-particle fragmentation functions of jets produced in ultra-relativistic nuclear collisions can provide insight into the modification of parton showers in the hot, dense medium created in the collisions. ATLAS has measured jets in ���sNN=2.76 TeV Pb+Pb collisions at the LHC using a data set recorded in 2011 with an integrated luminosity of 0.14 nb���1. Jets were reconstructed using the anti-kt algorithm with distance parameter values R = 0.2, 0.3, and 0.4. Distributions of charged-particle transverse momentum and longitudinal momentum fraction are reported for seven bins in collision centrality for R=0.4 jets with pjetT>100 GeV. Commensurate minimum pT values are used for the other radii. Ratios of fragment distributions in each centrality bin to those measured in the most peripheral bin are presented. These ratios show a reduction of fragment yield in central collisions relative to peripheral collisions at intermediate z values, 0.04���z���0.2 and an enhancement in fragment yield for z���0.04. A smaller, less significant enhancement is observed at large z and large pT in central collisions.

Studies of Z�� production and constraints on anomalous triple gauge couplings in pp collisions at ���s = 7 TeV

<p>In this thesis, we test the electroweak sector of the Standard Model of particle physics through the measurements of the cross section of the simultaneous production of the neutral weak boson Z and photon &#x3B3;, and the limits on the anomalous Z&#x3B3;&#x3B3; and ZZ&#x3B3; triple gauge couplings h3 and h4 with the Z decaying to leptons (electrons and muons). We analyze events collected in proton-proton collisions at center of mass energy of sqrt(s) = 7 TeV corresponding to an integrated luminosity of 5.0 inverse femtobarn. The analyzed events were recorded by the Compact Muon Solenoid detector at the Large Hadron Collider in 2011. </p> <p>The production cross section has been measured for hard photons with transverse momentum greater than 15 GeV that are separated from the the final state leptons in the eta-phi plane by Delta R greater than 0.7, whose sum of the transverse energy of hadrons over the transverse energy of the photon in a cone around the photon with Delta R less than 0.3 is less than 0.5, and with the invariant mass of the dilepton system greater than 50 GeV. The measured cross section value is 5.33 +/- 0.08 (stat.) +/- 0.25 (syst.) +/- 0.12 (lumi.) picobarn. This is compatible with the Standard Model prediction that includes next-to-leading-order QCD contributions: 5.45 +/- 0.27 picobarn.</p> <p>The measured 95 % confidence-level upper limits on the absolute values of the anomalous couplings h3 and h4 are 0.01 and 8.8E-5 for the Z&#x3B3;&#x3B3; interactions, and, 8.6E-3 and 8.0E-5 for the ZZ&#x3B3; interactions. These values are also compatible with the Standard Model where they vanish in the tree-level approximation. They extend the sensitivity of the 2012 results from the ATLAS collaboration based on 1.02 inverse femtobarn of data by a factor of 2.4 to 3.1.</p>

Obten����o de um limite para a largura do b��son de Higgs no experimento CMS via H&#8594; ZZ &#8594; (4e, 4, 2e2)

Apresenta-se neste trabalho um estudo sobre a largura de decaimento total do b��son de Higgs atrav��s do canal H&#8594; ZZ &#8594; (4e, 4, 2e2). Segundo o Modelo Padr��o da F��sica de Part��culas Elementares, um b��son de Higgs com massa de 126 GeV deve ter uma largura de decaimento total &#915;H = 4.15 MeV, muito abaixo da resolu����es dos experimentos instalados no LHC. Isto impede uma medida direta sobre os eventos da resson��ncia. Recentemente foi proposto limitar &#915;H a partir da rela����o entre a taxa de eventos observados na regi��o da resson��ncia e na regi��o off-shell. Utilizando o pacote de an��lise desenvolvido pela colabora����o CMS obteve-se um limite de &#915;H < 31.46(12.82) MeV em 95(68.3)% CL combinando os dados coletados pelo LHC em colis��es pp em &#8730;s = 7 TeV (5.1fb-1) e em &#8730;s = 8 TeV (19.7fb -1).