Authors:	Wollstadt, Simon
Title:	High-mass Drell-Yan cross-section and search for new phenomena in multi-electron/positron final states with the ATLAS detector
Online publication date:	19-Mar-2015
Year of first publication:	2015
Language:	english
Abstract:	The Standard Model of particle physics is a very successful theory which describes nearly all known processes of particle physics very precisely. Nevertheless, there are several observations which cannot be explained within the existing theory. In this thesis, two analyses with high energy electrons and positrons using data of the ATLAS detector are presented. One, probing the Standard Model of particle physics and another searching for phenomena beyond the Standard Model.rnThe production of an electron-positron pair via the Drell-Yan process leads to a very clean signature in the detector with low background contributions. This allows for a very precise measurement of the cross-section and can be used as a precision test of perturbative quantum chromodynamics (pQCD) where this process has been calculated at next-to-next-to-leading order (NNLO). The invariant mass spectrum mee is sensitive to parton distribution functions (PFDs), in particular to the poorly known distribution of antiquarks at large momentum fraction (Bjoerken x). The measurementrnof the high-mass Drell-Yan cross-section in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 7 TeV is performed on a dataset collected with the ATLAS detector, corresponding to an integrated luminosity of 4.7 fb-1. The differential cross-section of pp -> Z/gamma + X -> e+e- + X is measured as a function of the invariant mass in the range 116 GeV < mee < 1500 GeV. The background is estimated using a data driven method and Monte Carlo simulations. The final cross-section is corrected for detector effects and different levels of final state radiation corrections. A comparison isrnmade to various event generators and to predictions of pQCD calculations at NNLO. A good agreement within the uncertainties between measured cross-sections and Standard Model predictions is observed.rnExamples of observed phenomena which can not be explained by the Standard Model are the amount of dark matter in the universe and neutrino oscillations. To explain these phenomena several extensions of the Standard Model are proposed, some of them leading to new processes with a high multiplicity of electrons and/or positrons in the final state. A model independent search in multi-object final states, with objects defined as electrons and positrons, is performed to search for these phenomenas. Therndataset collected at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 8 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 20.3 fb-1 is used. The events are separated in different categories using the object multiplicity. The data-driven background method, already used for the cross-section measurement was developed further for up to five objects to get an estimation of the number of events including fake contributions. Within the uncertainties the comparison between data and Standard Model predictions shows no significant deviations. Das Standardmodell der Teilchenphysik ist eine sehr erfolgreiche Theorie, welche nahezu alle bekannten Prozesse mit hoher Genauigkeit beschreibt. Allerdings gibt es einige experimentelle Beobachtungen die durch die existierende Theorie nicht beschrieben werden. In dieser Arbeit werden zwei Analysen mit hoch energetischen Elektronen/Positronen präsentiert. Die verwendeten Daten wurden mit dem ATLAS Detektor aufgezeichnet. Die erste Analyse ist ein Test des Standardmodells der Teilchenphysik, die zweite sucht nach Phänomenen jenseits des Standardmodells.rnDie durch den Drell-Yan Prozess erzeugten Elektron-Positron Paare hinterlassen eine saubere Signatur im Detektor, was zu einer geringen Anzahl an Untergrundereignissen führt. Dies erlaubt eine sehr genaue Messung des Wirkungsquerschnitts und kann als Präzisionstest der störungstheoretischen Quatenchromodynamik (pQCD) verwendet werden, da der Wirkungsquerschnitt in nächst-zu-nächstführender Ordnung (NNLO) berechnet werden kann. Die Partonverteilungsfunktionen und im speziellen die schlecht bestimmten Verteilungen für Antiquarks bei hohem Impulsanteil (Bjoerken x) sind sensitiv auf die invariante Massenverteilung mee. Die Messung des Drell-Yan Wirkungsquerschnitts in Proton-Proton Kollisionen wurde mit Daten des ATLAS Detektors durchgeführt, welche bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt(s) = 7 TeV aufgezeichnet wurden und einer integrierten Luminosität von 4.7 fb-1 entsprechen. Der differenzielle Wirkungsquerschnitt von pp -> Z/gamma + X -> e+e- + X wurde als Funktion der invarianten Masse im Bereich 116 GeV < mee < 1500 GeV gemessen. Der Untergrund wurde mit Hilfe einer datengetriebenen Methode und Monte Carlo Simulationen abgeschätzt. Der finale Wirkungsquerschnitt wurde auf Detektoreffekte korrigiert und mit verschiedenen Monte Carlo Generatoren und einer theoretischen Vorhersage der pQCD verglichen. Innerhalb der Unsicherheiten zeigt die Messung eine gute Übereinstimmung mit den Vorhersagen des Standardmodells.rnIn verschiedenen Experimenten wurden Phänomene beobachtet, welche nicht durch das Standardmodell erklärt werden können. Beispiele hierfür sind die gemessene Menge an dunkler Materie im Universum und die in Experimenten beobachtete Neutrino-Oszillation. Um diese und andere Phänomene zu erklären gibt es eine Vielzahl an vorgeschlagenen Erweiterungen des Standardmodells. Einige von ihnen führen zu neuen Prozessen mit einer großen Anzahl an Elektronen und/oder Positronen im Endzustand. Um solche Prozesse zu finden wurde eine modellunabhängige Suche nach Endzuständen mit einer hohen Elektronen/Positronen Multiplizität durchgeführt. Dafür wurden die Daten, welche vom ATLAS Detektor bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt(s) = 8 TeV aufgezeichnet wurden und einer integrierten Luminosität von 20.3 fb-1 entsprechen, verwendet. Die selektierten Ereignisse wurden anhand ihrer Multiplizität separiert. Die datengetriebene Methode, welche bereits für die Wirkungsquerschnittsmessung verwendet wurde, wurde so erweitert, dass sie für Ereignisse mit bis zu fünf Objekten verwendet werden konnte. Mit Hilfe dieser Methode wurde die Anzahl der zu erwartenden Ereignisse, in denen ein oder mehrere Objekte fehlerhaft als Elektron oder Positron identifiziert wurden, abgeschätzt. Der Vergleich der selektierten Ereignisse mit der Standardmodellerwartung zeigt keine signifikanten Abweichungen.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1551
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-39804
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen