Measurement of the W boson charge asymmetry in proton-proton collisions at sqrt{s}=8 TeV and developments towards the upgrade of the ATLAS Muon Spectrometer

Abstract

The measurement of the W boson production cross-section in proton proton collisions at the Large Hadron Collider (LHC) provides an excellent probe of the structure functions of the proton. In this thesis, a first measurement of this production cross-section in the muon decay channel at a centre of mass energy of 8 TeV with the ATLAS detector is presented.

Special attention is drawn to the resulting charge asymmetry, which has been derived as a function of the muon pseudorapidity. This constrains significantly the u and d quark momentum fractions in the proton, thus providing an important input for several high precision measurements, conducted at the LHC. The overall muon charge asymmetry from the W boson yields $textrm{A}_{mu} = 0.18263 pm 0.00147 (textrm{syst.}) pm 0.00021 (textrm{stat.})$, which is the most precise measurement at the LHC using one single decay channel.

In order to allow for similar high precision measurements during the high luminosity phase of the LHC after 2020, the muon system of the ATLAS detector has to be upgraded, especially the forward region of the muon detector. Therefore prototype detectors for this upgrade project have been developed, constructed and tested. Results of the construction process and the relevant performance studies are also presented here.

Die Messung des W-Boson-Produktionsquerschnitts bei Proton-Proton-Kollisionen am Large Hadron Collider (LHC) liefert eine hervorragende M"{o}glichkeit die Strukturfunktionen des Protons zu untersuchen. In dieser Arbeit wird eine erste Messung des Produktionswirkungsquerschnitts im Myon-Zerfallkanal von W-Bosonen in Proton-Proton Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV mit dem ATLAS Detektor vorgestellt.

Besonderes Augenmerk wird auf die daraus resultierende Ladungsasymmetrie gelegt, die als Funktion der Myon-Pseudorapidity abgeleitet wurde. Dies beschränkt signifikant die Impulsanteile des u- und d-Quarks im Proton, sodass wichtige Grundlagen f"{u}r mehrere hochpr"{a}zise Messungen, die am LHC durchgef"{u}hrt werden, gelegt werden k"{o}nnen. Die gesamte Ladungsasymmetrie des Myons aus der W Boson Produktion ergibt sich zu $textrm{A}_{mu} = 0.18263 pm 0.00147 (textrm{syst.}) pm 0.00021 (textrm{stat.})$, was die bisher genauste Messung am LHC in diesem Zerfallskanal ist.

Um in der Hochluminositätsphase des LHC nach dem Jahr 2020 "{a}hnliche Hochpr"{a}zisionsmessungen zu erm"{o}glichen, muss das Myonsystem des ATLAS-Detektors, vor allem im Vorw"{a}rtsbereich, aufger"{u}stet werden. Deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit Prototyp-Detektoren f"{u}r solche Anwendungen konstruiert und getestet. Es werden auch die Ergebnisse des Bauprozesses und die relevanten Leistungsstudien dargestellt.