Authors:	Zinser, Markus
Title:	Search for new heavy charged bosons and measurement of high-mass Drell-Yan production in proton-proton collisions
Online publication date:	19-Dec-2016
Year of first publication:	2016
Language:	english
Abstract:	The Large Hadron Collider (LHC) at CERN, at which protons collide at unprecedented center of mass energies and very high instantaneous luminosity, gives unique possibilities for precise tests of the Standard Model and to search for new physics phenomena. A precise prediction of the processes at the LHC is essential and a key role plays hereby the knowledge of the parton density functions (PDFs) of the proton. In this thesis two analyses are presented. In the first analysis a new heavy charged gauge boson, a so-called W' boson, is searched for. Those new gauge bosons are predicted by some theories extending the Standard Model gauge group to solve some of its conceptual problems. Decays of the W' boson in final states with a lepton (l^+/- = e^+/-, mu^+/-) and the corresponding (anti-)neutrino are considered. Data are used which were collected by the ATLAS experiment in the year 2015 at a center of mass energy of sqrt{s}=13 TeV. The collected data corresponds to an integrated luminosity of 3.2/fb. The Standard Model prediction for the expected background is estimated with Monte Carlo simulations and methods based on data. The resulting spectrum of the transverse mass is tested, using statistical methods, for differences between data and the Standard Model predictions. No significant deviation from the Standard Model predictions is found and masses of a Sequential Standard Model W' boson below 4.07 TeV are excluded with a confidence level of 95%. In the second analysis a measurement of the double-differential cross section of the process pp->Z/gamma^* + X -> l^+l^- + X, including also a gamma gamma induced contribution, at a center of mass energy of sqrt{s} = 8 TeV is presented. The measurement is performed in an invariant mass region of 116 GeV to 1500 GeV as a function of invariant mass and absolute rapidity of the l^+l^--pair as well as a function of invariant mass and pseudorapidity separation of the l^+l^--pair. The analyzed data were recorded by the ATLAS experiment in the year 2012 and correspond to an integrated luminosity of 20.3/fb. It is expected that the measured cross sections are sensitive to the PDFs at very high values of the Bjorken-x scaling variable and to the photon structure of the proton. In this thesis the measurement of the cross sections for the decay into an e^+e^--pair is discussed in detail. The measured cross sections are combined with a measurement for the decay into a mu^+mu^--pair to reduce the systematic and statistical uncertainties. The combined cross sections are compared to theory predictions and studies of the sensitivity of the measurement are carried out. It is shown that, with help of this measurement, the uncertainty of the photon PDF can be strongly reduced. Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN, an dem Protonen bei bisher unerreichten Schwerpunktsenergien und mit sehr hoher instantaner Luminosität kollidieren, bietet einzigartige Möglichkeiten, präzise Tests des Standardmodells durchzuführen und nach neuen Physikphänomenen zu suchen. Eine präzise Vorhersage der Prozesse am LHC ist hierfür essentiell und eine Schlüsselrolle spielt dabei die Kenntnis der Partonverteilungsfunktionen (PDFs) des Protons. In dieser Arbeit werden zwei Analysen vorgestellt. In der ersten wird nach einem neuen schweren geladenen Eichboson, einem sogenannten W' Boson gesucht. Diese neuen Eichbosonen werden von manchen Theorien vorhergesagt, welche die Standardmodell-Eichgruppe erweitern, um einige der konzeptionellen Probleme des Standardmodells zu lösen. Zerfälle des W' Bosons mit einem geladenen Lepton (l^+/- = e^+/-, mu^+/-) und dem dazugehörigen (Anti-)Neutrino im Endzustand werden untersucht. Hierbei werden Daten verwendet, die vom ATLAS-Experiment im Jahr 2015 bei einer Schwerpunktsenergie der Protonen von sqrt{s}=13 TeV aufgezeichnet wurden. Die aufgenommenen Daten entsprechen einer integrierten Luminosität von 3.2/fb. Die erwarteten Untergründe werden mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen und mit auf Daten basierenden Methoden abgeschätzt. Das erhaltene Spektrum der transversalen Masse wird mit statistischen Methoden auf Unterschiede zwischen Daten und dem erwarteten Untergrund untersucht. Keine signifikanten Abweichungen von der Standardmodellvorhersage werden gefunden und Massen von W' Bosonen des Sequentiellen Standardmodells unter 4.07 TeV können mit 95% Konfidenzniveau (confidence level) ausgeschlossen werden. In einer zweiten Analyse wird die Messung des doppelt differentiellen Wirkungsquerschnitts des Prozesses pp -> Z/gamma^* +X -> l^+l^- +X, einschließlich eines gamma gamma induzierten Beitrages, bei einer Schwerpunktsenergie der Protonen von sqrt{s} = 8 TeV präsentiert. Die Messung wird durchgeführt im Bereich hoher invarianter Massen von 116 GeV bis 1500 GeV als Funktion der invarianten Masse und Rapidität des l^+l^--Paares und als Funktion der invarianten Masse und Pseudorapiditätsdifferenz des l^+l^--Paares. Die analysierten Daten wurden mit Hilfe des ATLAS-Experiments im Jahr 2012 aufgezeichnet und entsprechen einer integrierten Luminosität von 20.3/fb. Es wird erwartet, dass die Wirkungsquerschnitte sensitiv auf PDFs bei sehr hohen Werten der Bjorken-x Skalenvariable sowie auf die Photonstruktur des Protons sind. In dieser Arbeit wird die Messung des Wirkungsquerschnitts für den Zerfall in e^+e^--Paare im Detail diskutiert. Die gemessenen Wirkungsquerschnitte werden kombiniert mit Messungen für den Zerfall in ein mu^+mu^--Paar, um die erreichten systematischen und statistischen Unsicherheiten weiter zu reduzieren. Die kombinierten Wirkungsquerschnitte werden mit Theorievorhersagen verglichen und Studien zur Sensitivität der Messung durchgeführt. Es wird gezeigt, dass mit Hilfe der durchgeführten Messung die Unsicherheit der Photon PDF deutlich reduziert werden kann.
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-4593
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000008865
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	xi, 351 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen