Measurement of the W boson mass with the DO detector and determination of the strong coupling constant with the ATLAS detector

Abstract

A good theoretical description of electroweak boson production in hadronic collisions at high center of mass energies is essential for the measurement of the W boson mass. The DYRES computer program allows for the precise calculation of the relevant production cross section, however, is limited in performance. In this thesis, the DYRES program was significantly improved, leading to a new tool named DYTURBO. In order to test the performance of the DYTURBO program, the transverse momentum spectrum of Z bosons, pT(Z), produced in proton-proton collisions at a center of mass energy of 13 TeV was measured, using data collected by the ATLAS Experiment at the Large Hadron Collider. Due to the large speed improvements of DYTURBO compared to previous similar theoretical tools, it was possible for the first time to extract the strong coupling constants by fitting the measured pT(Z) distribution. This approach yields a value of αs(M²) = 0.1177 ± 0.0014 (syst+syst) ± 0.0086 (theo), in agreement with other measurements of the ATLAS collaboration. The actual measurement of the W boson mass was developed using data of proton--anti-proton collisions, recorded from 2009 to 2010 at √s = 1.96 TeV by the DØ experiment at Tevatron. The W boson mass is extracted using the transverse energy distribution of decay electrons as well as the transverse mass observable, using a novel, two-dimensional fitting technique. The work focused on the estimation of uncertainties due to the limited knowledge of parton density functions, which are the largest theoretical uncertainties of the W boson mass measurement. Since the final W boson mass analysis was not yet approved by the collaboration at the time of the thesis submission, only the expected uncertainty can be made public at this stage. The upcoming measurement of the DØ experiment is expected to have a statistical and systematic uncertainty of 14 MeV and 19 MeV, respectively.

Eine gute theoretische Beschreibung der elektroschwachen Prozesse zur Bosonen Produktion in Hadronenkollisionen bei hohen Schwerpunktsenergien ist für die Messung der Masse des W Bosons essentiell. Das DYRES Computerprogramm erlaubt die präzise Berechnung der Wirkungsquerschnitte aller relevanten Prozesse, ist dabei aber nicht sehr performant. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neues Programm, DYTURBO, entwickelt, dass die Performanz signifikant verbessert. Um die Leistungsfähigkeit dieses Programms zu Testen, wurde das Transversalimpuls-Spektrum des Z-Bosons unter Benutzung von Daten, die am ATLAS Detektor am LHC aufgenommen wurden, gemessen. Aufgrund der im Vergleich zu anderen Softwarepaketen hohen Laufzeitverbesserungen durch DYTURBO war es nun das erste Mal möglich die starke Kopplungskonstante durch Fitten des oben genannten Spektrums zu extrakhieren. Diese Methode ergab einn Wert von αs(M²) = 0.1177 ± 0.0014 (syst+syst) ± 0.0086 (theo), der mit anderen ATLAS Messungen übereinstimmt. Die eigentliche Messung der W Boson Masse wurde anhand von Tevatron Daten mit einer Schwerpunktsenergie von √s = 1.96 TeV am DØ Experiment entwickelt. Die W Boson Masse wurde unter Nutzung der Transversalenergieverteilung zerfallender Elektronen und der Transversalmassen-Observable bestimmt. Dabei wurde eine neue, zweidimensionale Fitmethode verwendet. Diese Arbeit spezialisiert sich auf die Abschätzung sysmtematischer Unsicherheiten aufgrund des begrenzten Wissens der Parton-Verteilungsfunktion, was die größte theoretische Unsicherheit bei der Messung der W Boson Masse darstellt. Da die Analyse zur Zeit des Einreichens dieser Arbeit noch nicht von der ATLAS Kollaboration angenommen wurde, können hier nur vorläufige Unsicherheiten veröffentlich werden. Die kommende Messung am DØ Experiment werden vorrausichtlich eine statistische und systematische Unsicherheit von 14 MeV beziehungsweise 19 MeV haben.