Precise muon momentum calibration and Z mass measurement with the ATLAS experiment, using pp collisions at √s =13 TeV

Abstract

Standard Model is the foundation of modern particle physics. Precise measurements are in the center of major studies. The Higgs boson discovery probes for further Electro-Weak measurements, to test the consistency of the model. ATLAS is a multi-purpose detector and one of the experiments at the CERN LHC. With a dedicated tracking and magnetic system, the experiment achieves high precision measurements of the muon momentum at the final state.

In that context, the Z mass measurement in ATLAS is part of these efforts. The Z boson mass has been measured with excellent accuracy in the LEP experiment at CERN, without delving into reconstruction systematic uncertainties. In ATLAS, the measurement involves the reconstruction of final muon objects introducing corresponding biases. The comparison between the two measurements is of high scientific interest and a test for ATLAS capabilities.

The thesis investigates muon momentum calibration in the ATLAS experiment, with pp collisions, at center of mass energy $\sqrt{s}=13$ TeV. ATLAS uses "standard candles" resonances for the calibration, $\Jpsi$ meson and Z boson. By comparing di-muon mass spectrum in simulation and data, for the two resonances, the calibration is derived.

The calibration in this thesis is in the context of official ATLAS recommendations but also for Z mass measurement primarily, but also other Electro-Weak measurements, such as the W mass measurement.

The work focuses on calibration challenges using official ATLAS tools, with results divided into two main sections. The first section addresses calibration work performed for the ATLAS experiment. Specifically, the relative momentum resolution of muons in ATLAS is investigated for the Inner Detector (ID), the Muon Spectrometer (MS), and the Combined (CB) tracks. From these studies, maps of the muon relative momentum uncertainty are generated for both simulation and data. These maps reveal systematic deficiencies in the detector subsystems and mis-modelings in the simulations. The maps are then integrated into the official ATLAS calibration framework to assess their potential for improving calibration precision, with a comparison of results both with and without this additional information. Lastly, the process and outcomes of deriving the official ATLAS calibration recommendations are presented. These recommendations are developed separately for the ID, MS, and CB tracks.

The second part of this thesis focuses on calibration in the context a the Z mass measurement, including a detailed analysis of a Z mass measurement with the applied calibration. The calibration process is altered so it does not include the Z boson resonance. Calibration corrections are derived with the $\Jpsi$ meson.

Using official ATLAS tools, the calibration is compared for Prompt and Non-Prompt $J/\psi$ mesons. Kinematic distributions for both types are analyzed, and the differences between their calibrations are discussed. The calibration parameters are derived as a function of detector pseudorapidity and muon transverse momentum.

Lastly, an assessment of the calibration uncertainties on the Z boson mass is extracted using a likelihood fit, with the di-muon channel.

Das Standardmodell ist die Grundlage der modernen Teilchenphysik. Präzise Messungen stehen im Mittelpunkt wichtiger Studien. Mit der Entdeckung des Higgs-Bosons werden weitere Messungen des elektroschwachen sektors durchgeführt, um die Konsistenz des Modells zu überprüfen. ATLAS ist ein Mehrzweckdetektor und eines der Experimente am LHC des CERN. Mit einem speziellen detector- und Magnetsystem erzielt das Experiment hochpräzise Messungen des Myonenimpulses im Endzustand.

In diesem Zusammenhang ist die Messung der Z-Masse in ATLAS ein Teil dieser Bemühungen. Die Masse des Z-Bosons wurde mit hervorragender Genauigkeit im LEP-Experiment am CERN gemessen, ohne dass die systematischen Unsicherheiten bei der Rekonstruktion berücksichtigt werden mussten. In ATLAS beinhaltet die Messung die Rekonstruktion von finalen Myonenobjekten, was entsprechende Verzerrungen mit sich bringt. Der Vergleich zwischen den beiden Messungen ist von hohem wissenschaftlichen Interesse und ein Test für die Fähigkeiten von ATLAS.

Die Arbeit untersucht die Kalibrierung des Myonenimpulses im ATLAS-Experiment mit proton-proton-Kollisionen bei der Schwerpunktsenergie $\sqrt(s) =13$ TeV. ATLAS verwendet „Standardkerzen“-Resonanzen für die Kalibrierung, das J/psi-Meson und das Z-Boson. Durch den Vergleich des Di-Muonen-Massenspektrums in der Simulation und in den Daten für die beiden Resonanzen wird die Kalibrierung abgeleitet.

Die Kalibrierung in dieser Arbeit steht im Zusammenhang mit den offiziellen ATLAS-Empfehlungen, aber auch für die Z-Massenmessung in erster Linie, aber auch für andere elektroschwache Messungen, wie z.B. die W-Massenmessung.

Die Arbeit konzentriert sich auf die Herausforderungen bei der Kalibrierung mit den offiziellen ATLAS-Werkzeugen, wobei die Ergebnisse in zwei Hauptabschnitte unterteilt sind. Der erste Abschnitt befasst sich mit Kalibrierungsarbeiten, die für das ATLAS-Experiment durchgeführt wurden. Konkret wird die relative Impulsauflösung von Myonen in ATLAS für den Inner Detector (ID), das Muon Spectrometer (MS) und die Combined (CB) Spuren untersucht. Aus diesen Studien werden Karten der relativen Impulsunsicherheit von Myonen sowohl für die Simulation als auch für die Daten erstellt. Diese Karten zeigen systematische Mängel in den Untersystemen des Detektors und falsche Modellierungen in den Simulationen auf. Die Karten werden dann in den offiziellen ATLAS-Kalibrierungs-software integriert, um ihr Potenzial zur Verbesserung der Kalibrierungsgenauigkeit zu bewerten, wobei die Ergebnisse mit und ohne diese zusätzlichen Informationen verglichen werden. Abschließend werden der Prozess und die Ergebnisse der bestimmung der offiziellen ATLAS-Kalibrierungsempfehlungen vorgestellt. Diese Empfehlungen werden getrennt für die ID-, MS- und CB-Spuren entwickelt.

Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Kalibrierung im Zusammenhang mit der Z-Massenmessung, einschließlich einer detaillierten Analyse einer Z-Massenmessung mit der angewandten Kalibrierung. Der Kalibrierungsprozess wird so verändert, dass er die Z-Boson-Resonanz nicht berücksichtigt. Kalibrierungskorrekturen werden nur mit dem J/psi-Meson abgeleitet.

Unter Verwendung offizieller ATLAS-werkzeuge wird die Kalibrierung für Prompt- und Nicht-Prompt-$J/\psi$-Mesonen verglichen. Die kinematischen Verteilungen für beide Typen werden analysiert, und die Unterschiede zwischen den Kalibrierungen werden diskutiert. Die Kalibrierungsparameter werden als Funktion der Pseudorapidität des Detektors und des Transversalimpulses des Myons abgeleitet.

Schließlich wird nach Anwendung der abgeleiteten Kalibrierung auf Myonen aus Z-Kandidaten-Zerfällen eine Bewertung der erwarteten Unsicherheiten für die Z-Bosonen-Masse mit Hilfe eines Likelihood-Fits mit dem Di-Muon-Kanal extrahiert.

Le Modèle Standard constitue la base de la physique des particules moderne. Des mesures précises sont au cœur des études majeures. La découverte du boson de Higgs ouvre la voie à des mesures électrofaibles supplémentaires pour tester la cohérence du modèle.

ATLAS est un détecteur polyvalent et l'une des expériences menées au LHC du CERN. Grâce à un système de suivi et de magnétisme dédié, l'expérience atteint une grande précision dans la mesure de l'élan des muons à l'état final. Dans ce contexte, la mesure de la masse du boson Z avec ATLAS fait partie de ces efforts. La masse du boson Z a été mesurée avec une excellente précision lors de l'expérience LEP au CERN, sans aborder les incertitudes systématiques liées à la reconstruction.

Dans ATLAS, cette mesure implique la reconstruction des objets muons finaux, introduisant des biais correspondants. La comparaison entre les deux mesures suscite un grand intérêt scientifique et constitue un test des capacités d’ATLAS. Enfin, après application de la calibration dérivée aux muons issus des désintégrations de candidats bosons Z, une évaluation des incertitudes attendues sur la masse du boson Z est extraite à l’aide d’un ajustement de vraisemblance, dans le canal di-muon. Cette thèse porte sur la calibration de l’élan des muons dans l’expérience ATLAS, avec des collisions pp, à une énergie dans le centre de masse de $\sqrt{s} = 13$ TeV.

ATLAS utilise des résonances, appelées "bougies étalon", pour la calibration, comme le méson $\Jpsi$ et le boson Z. En comparant le spectre de masse di-muon en simulation et en données pour ces deux résonances, la calibration est établie.

La calibration dans cette thèse s’inscrit dans le cadre des recommandations officielles d’ATLAS, mais également dans le contexte de la mesure de la masse du boson Z, ainsi que pour d’autres mesures électrofaibles, comme celle de la masse du boson W

Le travail se concentre sur les défis de calibration à l’aide des outils officiels d’ATLAS, avec des résultats divisés en deux sections principales. La première section traite des travaux de calibration réalisés pour l’expérience ATLAS. En particulier, la résolution relative de l’élan des muons dans ATLAS est étudiée pour le détecteur interne (Inner Detector, ID), le spectromètre à muons (Muon Spectrometer, MS), et les trajectoires combinées (Combined, CB). Ces études permettent de générer des cartes des incertitudes relatives de l’élan des muons pour les simulations et les données.

Ces cartes révèlent des déficiences systématiques dans les sous-systèmes du détecteur ainsi que des désaccords dans les simulations. Elles sont ensuite intégrées dans le cadre de calibration officiel d’ATLAS afin d’évaluer leur potentiel pour améliorer la précision des calibrations. Une comparaison des résultats est effectuée, avec et sans ces informations supplémentaires. Enfin, le processus et les résultats permettant d’établir les recommandations officielles de calibration pour ATLAS sont présentés, séparément pour les trajectoires ID, MS et CB.

La seconde partie de cette thèse se concentre sur la calibration dans le contexte de la mesure de la masse du boson Z, incluant une analyse détaillée d’une mesure de cette masse avec la calibration appliquée. Le processus de calibration est modifié pour exclure la résonance du boson Z. Les corrections de calibration sont obtenues à partir du méson $\Jpsi$.

À l’aide des outils officiels d’ATLAS, la calibration est comparée pour les mésons $\Jpsi$ Prompts et Non Prompts. Les distributions pour les deux types sont analysées, et les différences entre leurs calibrations sont discutées. Les paramètres de calibration sont déterminés en fonction de la pseudorapidité du détecteur et de l’élan transverse des muons.

Les paramètres d'étalonnage sont dérivés en fonction de la pseudorapidité du détecteur et du impulsion transversal du muon.

Enfin, une évaluation des incertitudes d'étalonnage sur la masse du boson Z est extraite à l'aide d'un ajustement de vraisemblance, avec le canal di-muon.