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

Abstract

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.

Das Standard Modell der Elementarteilchenphysik beschreibt die Elementarteilchen, aus denen die Materie besteht, und die Wechselwirkungen zwischen ihnen. Um die meisten der offenen Fragen des Standard Modells zu klären sowie Theorien darüber hinaus zu testen, wurde der Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf entwickelt. Der LHC kollidiert zwei Protonenstrahlen mit der welthöchsten Schwerpunktsenergie. ATLAS, eines der Experimente am LHC, ist darauf ausgerichtet, Teilchen aus diesen Kollisionen und deren Eigenschaften zu messen. Die präzise Rekonstruktion von Teilchentrajektorien spielt eine große Rolle bei der Identifikation von Teilchenjets, die von bottom-Quarks stammen (b-Tagging). Themen dieser Arbeit sind die stufenweise Inbetriebnahme der Spurrekonstruktions- und b-Taggingsoftware sowie eine der ersten Messungen des b-Jet-Wirkungsquerschnitts mit dem ATLAS Detektor bei einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV. Die Eigenschaften der Spurrekonstruktionssoftware wurden zunächst mit Hilfe der kosmischen Hintergrundstrahlung und dann in Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 900 GeV und 7 TeV detailliert studiert und mit entsprechenden Monte Carlo Simulationen verglichen. Das gute Verständnis der Spurrekonstruktionssoftware gewährleistete eine sehr frühe Inbetriebnahme der b-Taggingalgorithmen. Erste Studien dieser Algorithmen und die Messung der b-Taggingeffizienz in Daten werden präsentiert und stimmen gut mit Vorhersagen aus Monte Carlo Simulationen überein. Der b-Jet-Wirkungsquerschnitt wurde mit Hilfe von Myonen in Jets gemessen und ist in guter Übereinstimmung mit den Vorhersagen des Standard Modells.