A light pulser system for the Babar CsI(Tl) calorimeter, capable of monitoring the light yield of the 6580 crystals and of checking the function and linearity of the readout electronics, was developed in a collaboration with groups from Bochum and Edinburgh. The light pulser system is based on the coupling of light from Xenon flashlamps through optical fibers into the individual crystals. The absolute intensity is measured by two special reference systems whose stability is monitored using a radioactive source. During the construction phase the light pulser was used to check the electronics in order to ensure its functioning before the insertion of the calorimeter into the detector where the preamplifier electronics is inaccessable for repair. In monitoring the short term performance of the light pulser system, the stability over one week is better than 0.15 %. Over six months between February and August 2000 the crystal response, as measured by the light pulser, of the three rings of the endcap that are closest to the beam dropped by up to 2 % in comparison with the three outer rings of the endcap, due to radiation damage. Through linearity measurements with the light pulser a flaw in the ADC boards of the calorimeter electronics, which will be fixed in the near future, and cross-talk between channels was found. By a software correction of these effects implemented by members of the collaboration an improvement of the energy resolution of the calorimeter was achieved. / Fuer das CsI(Tl)-Kalorimeter des Babar-Detektors wurde in Zusammenarbeit mit Gruppen aus Bochum und Edinburgh ein Lichtpulsersystem entwickelt, das in der Lage ist, die Lichtausbeute der 6580 Kristalle zu monitorieren und die Funktionsfaehigkeit und Linearitaet der Kalorimeterelektronik zu ueberpruefen. Das Lichtpulsersystem basiert auf der Einkopplung des Lichts von Xenon-Blitzlampen ueber Lichtleitfasern in einzelne Kristalle. Die absolute Lichtmenge wird durch zwei spezielle Lichtnormale gemessen, deren Stabilitaet durch eine radioaktive Quelle monitoriert wird. In der Aufbauphase kam der Lichtpulser fuer die Ueberpruefung der Elektronik zum Einsatz, um deren Funktionsfaehigkeit sicherzustellen, bevor das Kalorimeter in den Detektor eingebaut wurde, weil danach die Vorverstaerkerelektronik fuer Reparaturen nicht mehr zugaenglich war. In der Monitorierung ist die Kurzzeitstabilitaet des Lichtpulsersystems ueber eine Woche besser als 0,15 %. Ueber sechs Monate zwischen Februar und August 2000 sank, bedingt durch Strahlenschaeden, die mit dem Lichtpulser gemessene Antwort der Kristalle fuer die strahlnaechsten drei Ringe der Endkappe um bis zu 2 % staerker als in den aeusseren drei Ringen der Endkappe. Durch die Linearitaetsmessungen mit dem Lichtpulser konnte ein Fehler in der Kalorimeterelektronik im Bereich der ADC-Karten, der in naher Zukunft behoben werden wird, sowie ein Uebersprechen zwischen den Kanaelen gefunden werden. Durch Softwarekorrekturen dieser Effekte von seiten der Kollaboration konnte eine Verbesserung der Energieaufloesung des Kalorimeters erreicht werden.

Für das CsI(Tl)-Kalorimeter des Babar-Detektors wurde ein Verfahren zur Kalibration entwickelt und implementiert. Es ist in der Lage, für alle 6580 Kristalle absolute Kalibrationskonstanten zu bestimmen und die zeitliche Änderung der Kristalleigenschaften zu monitorieren. Der Algorithmus basiert auf dem Vergleich von gemessener Energie und erwarteter deponierter Energie von Teilchen aus Ereignissen der Bhabha-Streuung. Die gemessene Energie wird aus einem Cluster von getroffenen Kristallen bestimmt, wobei die Kalibrierung der Einzelkristallenergien durch Multiplikation mit einer Kalibrationskonstante c erfolgt. Die erwartete Energie wird aus einer Monte-Carlo-Simulation extrahiert. Die Minimierung eines chi^2-Terms - in dem erwartete und gemessene Cluster-Energien verglichen werden - bezüglich der Kalibrationskonstanten c, führt zu einem linearen Gleichungssystem mit einer 6580*6580 Matrix, die numerisch invertiert werden kann. Die Methode kalibriert die Kristalle im Energiebereich von 2,5 bis 8 GeV. Bei einer Luminosität von 3*10^33 Ereignissen pro cm^2 und s erlaubt die hohe Rate an Bhabha-Ereignissen am PEP-II-Beschleuniger eine Kalibration mit einer statistischen Genauigkeit von 0,32 % innerhalb von 12 Stunden. Der Einfluss systematischer Unsicherheiten wurde untersucht und zu +0,81% -0,72% abgeschätzt. Durch die Kalibration konnten Energieauflösungen sigma_E / E von 1,8% bei Elektronen mit einer Energie von 7,5 GeV erreicht werden. Im Jahr 2000 wurde von Mitte Mai bis Ende Oktober ein Absinken der Lichtausbeute der Kristalle der Endkappe von etwa 2,8% beobachtet. / A technique to calibrate the CsI(Tl) calorimeter of the Babar experiment was developed and implemented. The method allows a calculation of absolute calibration constants for all 6580 crystals. With these constants, a monitoring of the change of the light yield of the crystals is possible. The algorithm is based on the comparison of the measured energy and the expected deposited energy of particles in Bhabha scattering events. The measured energy is calculated from a cluster of hit crystals. The individual crystal energies are calibrated by a multiplication with a calibration constant c. The expected energy is extracted from a Monte-Carlo-Simulation. Minimizing a chi^2 term - which compares the expected and the measured cluster energies - with respect to the constants c yields a system of linear equations with a 6580x6580 matrix, that can be inverted numerically. The crystals are calibrated in an energy range of 2.5 to 8 GeV. The large rate of Bhabha scattering events at the PEP-II accelerator allows a calibration with a statistical precision of 0.32% within 12 hours of data taking at a luminosity of 3*10^33 events per square centimeter and second. The influence of systematic uncertainties was studied and estimated to be +0.81% -0.72%. Due to the calibration an energy resolution sigma_E / E of 1.8% could be obtained for electrons with an energy of 7.5 GeV. With the calibration constants a decrease in the lightyield of the endcap crystals of 2.8% could be observed between May and October 2000.

In this study, a measurement of the production cross section of Standard Model Z bosons in proton-proton collisions in the decay channel Z to tau tau is performed with data of 1.34 fb-1 - 1.55fb-1 recorded by the ATLAS experiment at the LHC at a center-of-mass energy of 7 TeV. An event selection of the data is applied in order to obtain a sample enriched with Z to tau tau events. After background estimations using data and Monte Carlo (MC) simulations, the fiducial cross sections in the sub-channels Z to tau tau to e tau_h + 3nu and Z to tau tau to mu tau_h + 3nu are measured. Together with the geometrical and kinematical acceptance, A_Z, and the well known tau lepton branching fractions, these results are combined to a total inclusive Z to tau tau cross section. A_Z is obtained from MC studies only, and the combination of the channels is done including statistical and systematical uncertainties using the BLUE method. The result is a measured total inclusive cross section of 914.4 plus minus 14.6(stat) plus minus 95.1(syst) plus minus 33.8(lumi) pb. This is in agreement with theoretical predictions from NNLO calculations of 964 plus minus 48 pb and also with measurements previously performed by the ATLAS and CMS experiments. With the increased amount of data, the statistical uncertainty could be reduced significantly compared to previous measurements. Furthermore, a testbeam analysis is performed to study the operation of the electromagnetic and hadronic endcap calorimeters, EMEC and HEC, and of the forward calorimeter, FCal, in the high particle fluxes expected for the upgraded LHC. The high voltage return currents of the EMEC module are analysed in dependence of the beam intensity. The results are compared to model predictions and simulations to extract the point of critical operation. Overall, the results for the critical beam intensities and the critical high voltage currents are in agreement with the predictions, but the assigned uncertainties are rather large. The general behaviour of the high voltage current in dependence of the beam intensity above the critical intensity could be confirmed very well. The testbeam data show that the EMEC can be operated up to highest LHC luminosities, and that ATLAS conserves its excellent calorimeter performance in this detector area. / In dieser Studie wird eine Wirkungsquerschnittsmessung des Standardmodell-Z-Bosons im Zerfallskanal Z nach tau tau mit Kollisionsereignissen entsprechend 1.34 fb-1 bis 1.55 fb-1 aufgezeichneter Daten des ATLAS-Experiments am LHC bei einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV durchgefuehrt. Hierbei kommt eine spezielle Ereignisselektion der Daten zum Einsatz, die zum Ziel hat, einen mit Z nach tau tau Ereignissen angereicherten Datensatz zu erhalten. Nach einer Untergrundabschaetzung mit Hilfe von experimentellen Daten und Monte-Carlo(MC)-Simulationen wird eine spezifische Wirkungsquerschnittsmessung in den Unterkanaelen Z nach tau tau nach e tau_h + 3nu und Z nach tau tau nach mu tau_h + 3nu erreicht, welche zunaechst nur Ereignisse in der geometrischen und kinematischen Akzeptanzregion umfasst. Zusammen mit der Selektionseffizienz dieser Akzeptanzregion, A_Z, und den bekannten Tau-Lepton-Verzweigungsverhaeltnissen koennen diese Ergebnisse zu einem totalen, inklusiven Z nach tau tau Wirkungsquerschnitt kombiniert werden. Hierbei wird A_Z ausschliesslich aus MC-Studien bestimmt und die Kombination unter Beruecksichtigung der statistischen und systematischen Fehler der Einzelkanaele mit der BLUE-Methode durchgefuehrt. Das Ergebnis ist ein totaler, inklusiver Wirkungsquerschnitt von 914.4 plus minus 14.6(stat) plus minus 95.1(syst) plus minus 33.8(lumi) pb. Dies stimmt innerhalb der Messunsicherheiten sowohl mit theoretischen Vorhersagen aus NNLO Rechnungen von: 964 plus minus 48 pb als auch mit Messungen, die zuvor im Zuge der ATLAS- und CMS-Experimente durchgefuehrt wurden, ueberein. Im Vergleich zu den bisherigen Messungen koennen die statistischen Fehler mit dem groesseren Datensatz deutlich reduziert werden. Weiterhin wird eine Teststrahlstudie zur Pruefung der Funktionalitaet der elektromagnetischen und hadronischen Endkappenkalorimeter, EMEC und HEC, und des Vorwaertskalorimeters FCal in den zukuenftigen, hohen Teilchenflussdichten des verbesserten LHC praesentiert. Die Hochspannungsstroeme des EMEC-Moduls werden in Abhaengigkeit von der Strahlintensitaet analysiert. Weiterhin werden die Ergebnisse mit Modellvorhersagen und Simulationen verglichen, um die Punkte nichtlinearen (kritischen) Betriebes zu extrahieren. Die Ergebnisse fuer die kritische Strahlintensitaet und die kritischen Stroeme stimmen mit Modellrechnungen und Simulationen ueberein, die jedoch mit grossen Unsicherheiten behaftet sind. Das vorhergesagte Verhalten der Hochspannungsstroeme in Abhaengigkeit von der Strahlintensitaet oberhalb der kritischen Intensitaet konnte sehr genau bestaetigt werden. Die Teststrahldaten zeigen, dass das EMEC bis zu den hoechsten LHC-Luminositaeten arbeiten kann und ATLAS in dieser Detektorregion seine exzellenten Kalorimetereigenschaften beibehaelt.

In this study, a measurement of the production cross section of Standard Model Z bosons in proton-proton collisions in the decay channel Z to tau tau is performed with data of 1.34 fb-1 - 1.55fb-1 recorded by the ATLAS experiment at the LHC at a center-of-mass energy of 7 TeV. An event selection of the data is applied in order to obtain a sample enriched with Z to tau tau events. After background estimations using data and Monte Carlo (MC) simulations, the fiducial cross sections in the sub-channels Z to tau tau to e tau_h + 3nu and Z to tau tau to mu tau_h + 3nu are measured. Together with the geometrical and kinematical acceptance, A_Z, and the well known tau lepton branching fractions, these results are combined to a total inclusive Z to tau tau cross section. A_Z is obtained from MC studies only, and the combination of the channels is done including statistical and systematical uncertainties using the BLUE method. The result is a measured total inclusive cross section of 914.4 plus minus 14.6(stat) plus minus 95.1(syst) plus minus 33.8(lumi) pb. This is in agreement with theoretical predictions from NNLO calculations of 964 plus minus 48 pb and also with measurements previously performed by the ATLAS and CMS experiments. With the increased amount of data, the statistical uncertainty could be reduced significantly compared to previous measurements. Furthermore, a testbeam analysis is performed to study the operation of the electromagnetic and hadronic endcap calorimeters, EMEC and HEC, and of the forward calorimeter, FCal, in the high particle fluxes expected for the upgraded LHC. The high voltage return currents of the EMEC module are analysed in dependence of the beam intensity. The results are compared to model predictions and simulations to extract the point of critical operation. Overall, the results for the critical beam intensities and the critical high voltage currents are in agreement with the predictions, but the assigned uncertainties are rather large. The general behaviour of the high voltage current in dependence of the beam intensity above the critical intensity could be confirmed very well. The testbeam data show that the EMEC can be operated up to highest LHC luminosities, and that ATLAS conserves its excellent calorimeter performance in this detector area.:Contents List of Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 List of Tables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2 Theoretical Foundation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1 The Standard Model of Particle Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.1 Phenomenological Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.2 Quantum Electrodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.1.3 Electroweak Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.1.4 Particle Masses and the Higgs Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.1.5 Quantum Chromo Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2 Z Boson Production and Decay at the LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3 Event Generation and Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.1 The Partonic Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.2 Hadronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.3.3 The Underlying Event . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.3.4 Detector Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.4 Cross Section Predictions for Z Boson Production at the LHC . . . . . . . . 34 3 The LHC and the ATLAS Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1 The Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.2 The ATLAS Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2.1 The Inner Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.2 The Electromagnetic Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.2.3 The Hadronic Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.4 The Muon Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.2.5 Luminosity Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2.6 The Trigger System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.2.7 Data Taking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4 Testbeam Study of Liquid-Argon Calorimeter Performance at High Rates . . . . 55 4.1 Upgrade Plans of the LHC and the ATLAS Calorimeters . . . . . . . . . . . 55 4.2 Testbeam Parameters and Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.3 The Calorimeter Test Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.4 Test Module Readout and Signal Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.5 Measurement and Analysis of the HV Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.5.1 Device for Precision HV Current Measurement . . . . . . . . . . . . . 62 4.5.2 Testbeam Data Taking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.5.3 Analysis of the EMEC Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.5.4 Beam Intensity Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.5.5 Comparison of EMEC Currents to Beam Intensity . . . . . . . . . . . 67 4.5.6 Discussion Considering the Predictions . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.6 Summary of Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5 Z → τ τ Cross Section Measurement with 1.34-1.55 fb−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.2 Data and Monte Carlo Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.2.1 Trigger Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.2.2 Monte Carlo Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.2.3 Pile-up Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.2.4 Tau Trigger Weighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5.3 Event Preselection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5.3.1 Good Run List . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5.3.2 Vertex Requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.3.3 Calorimeter Jet Cleaning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.3.4 Liquid-Argon Calorimeter Hole Cleaning . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.4 Reconstructed Physics Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.4.1 Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.4.2 Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.4.3 Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.4.4 Taus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.4.5 Missing Transverse Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.4.6 Overlap Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.5 Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.5.1 Dilepton Veto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.5.2 Opposite Charge Between the Lepton and the Hadronic Tau Candidate 89 5.5.3 Reduction of W+jets Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.5.4 Final Requirements on the Tau Candidate . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.5.5 Visible Mass Window . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.5.6 Summary of the Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.6 Tau Identification Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.7 Background Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.7.1 W+jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.7.2 Z+jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.7.3 QCD Multijet Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.8 Cross Section Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.9 Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.9.1 Trigger Efficiencies and Scale Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.9.2 Reconstruction, Identification and Isolation Efficiencies of the Muons and Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.9.3 Identification Efficiency of the Hadronically Decaying Tau . . . . . . 108 5.9.4 Background Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5.9.5 Geometrical and Kinematical Acceptance AZ . . . . . . . . . . . . . 110 5.9.6 Energy Scale Uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.9.7 Further Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.9.8 Summary of Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.10 Combination of the Channels and Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.11 The Z → τ τ Cross Section Measurement in the LHC Physics Context . . . . 115 6 Summary and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 A Gauge Invariance in Quantum Electrodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 A.1 Local gauge invariance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 A.2 Gauge invariance of the Maxwell-Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 B Testbeam Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 C Tau Trigger Weighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 C.1 Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 C.2 Tau Trigger Efficiency Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 C.3 Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 / In dieser Studie wird eine Wirkungsquerschnittsmessung des Standardmodell-Z-Bosons im Zerfallskanal Z nach tau tau mit Kollisionsereignissen entsprechend 1.34 fb-1 bis 1.55 fb-1 aufgezeichneter Daten des ATLAS-Experiments am LHC bei einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV durchgefuehrt. Hierbei kommt eine spezielle Ereignisselektion der Daten zum Einsatz, die zum Ziel hat, einen mit Z nach tau tau Ereignissen angereicherten Datensatz zu erhalten. Nach einer Untergrundabschaetzung mit Hilfe von experimentellen Daten und Monte-Carlo(MC)-Simulationen wird eine spezifische Wirkungsquerschnittsmessung in den Unterkanaelen Z nach tau tau nach e tau_h + 3nu und Z nach tau tau nach mu tau_h + 3nu erreicht, welche zunaechst nur Ereignisse in der geometrischen und kinematischen Akzeptanzregion umfasst. Zusammen mit der Selektionseffizienz dieser Akzeptanzregion, A_Z, und den bekannten Tau-Lepton-Verzweigungsverhaeltnissen koennen diese Ergebnisse zu einem totalen, inklusiven Z nach tau tau Wirkungsquerschnitt kombiniert werden. Hierbei wird A_Z ausschliesslich aus MC-Studien bestimmt und die Kombination unter Beruecksichtigung der statistischen und systematischen Fehler der Einzelkanaele mit der BLUE-Methode durchgefuehrt. Das Ergebnis ist ein totaler, inklusiver Wirkungsquerschnitt von 914.4 plus minus 14.6(stat) plus minus 95.1(syst) plus minus 33.8(lumi) pb. Dies stimmt innerhalb der Messunsicherheiten sowohl mit theoretischen Vorhersagen aus NNLO Rechnungen von: 964 plus minus 48 pb als auch mit Messungen, die zuvor im Zuge der ATLAS- und CMS-Experimente durchgefuehrt wurden, ueberein. Im Vergleich zu den bisherigen Messungen koennen die statistischen Fehler mit dem groesseren Datensatz deutlich reduziert werden. Weiterhin wird eine Teststrahlstudie zur Pruefung der Funktionalitaet der elektromagnetischen und hadronischen Endkappenkalorimeter, EMEC und HEC, und des Vorwaertskalorimeters FCal in den zukuenftigen, hohen Teilchenflussdichten des verbesserten LHC praesentiert. Die Hochspannungsstroeme des EMEC-Moduls werden in Abhaengigkeit von der Strahlintensitaet analysiert. Weiterhin werden die Ergebnisse mit Modellvorhersagen und Simulationen verglichen, um die Punkte nichtlinearen (kritischen) Betriebes zu extrahieren. Die Ergebnisse fuer die kritische Strahlintensitaet und die kritischen Stroeme stimmen mit Modellrechnungen und Simulationen ueberein, die jedoch mit grossen Unsicherheiten behaftet sind. Das vorhergesagte Verhalten der Hochspannungsstroeme in Abhaengigkeit von der Strahlintensitaet oberhalb der kritischen Intensitaet konnte sehr genau bestaetigt werden. Die Teststrahldaten zeigen, dass das EMEC bis zu den hoechsten LHC-Luminositaeten arbeiten kann und ATLAS in dieser Detektorregion seine exzellenten Kalorimetereigenschaften beibehaelt.:Contents List of Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 List of Tables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2 Theoretical Foundation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1 The Standard Model of Particle Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.1 Phenomenological Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.2 Quantum Electrodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.1.3 Electroweak Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.1.4 Particle Masses and the Higgs Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.1.5 Quantum Chromo Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2 Z Boson Production and Decay at the LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3 Event Generation and Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.1 The Partonic Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.2 Hadronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.3.3 The Underlying Event . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.3.4 Detector Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.4 Cross Section Predictions for Z Boson Production at the LHC . . . . . . . . 34 3 The LHC and the ATLAS Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1 The Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.2 The ATLAS Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2.1 The Inner Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.2 The Electromagnetic Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.2.3 The Hadronic Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.4 The Muon Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.2.5 Luminosity Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2.6 The Trigger System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.2.7 Data Taking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4 Testbeam Study of Liquid-Argon Calorimeter Performance at High Rates . . . . 55 4.1 Upgrade Plans of the LHC and the ATLAS Calorimeters . . . . . . . . . . . 55 4.2 Testbeam Parameters and Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.3 The Calorimeter Test Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.4 Test Module Readout and Signal Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.5 Measurement and Analysis of the HV Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.5.1 Device for Precision HV Current Measurement . . . . . . . . . . . . . 62 4.5.2 Testbeam Data Taking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.5.3 Analysis of the EMEC Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.5.4 Beam Intensity Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.5.5 Comparison of EMEC Currents to Beam Intensity . . . . . . . . . . . 67 4.5.6 Discussion Considering the Predictions . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.6 Summary of Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5 Z → τ τ Cross Section Measurement with 1.34-1.55 fb−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.2 Data and Monte Carlo Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.2.1 Trigger Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.2.2 Monte Carlo Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.2.3 Pile-up Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.2.4 Tau Trigger Weighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5.3 Event Preselection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5.3.1 Good Run List . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5.3.2 Vertex Requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.3.3 Calorimeter Jet Cleaning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.3.4 Liquid-Argon Calorimeter Hole Cleaning . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.4 Reconstructed Physics Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.4.1 Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.4.2 Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.4.3 Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.4.4 Taus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.4.5 Missing Transverse Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.4.6 Overlap Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.5 Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.5.1 Dilepton Veto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.5.2 Opposite Charge Between the Lepton and the Hadronic Tau Candidate 89 5.5.3 Reduction of W+jets Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.5.4 Final Requirements on the Tau Candidate . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.5.5 Visible Mass Window . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.5.6 Summary of the Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.6 Tau Identification Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.7 Background Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.7.1 W+jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.7.2 Z+jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.7.3 QCD Multijet Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.8 Cross Section Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.9 Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.9.1 Trigger Efficiencies and Scale Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.9.2 Reconstruction, Identification and Isolation Efficiencies of the Muons and Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.9.3 Identification Efficiency of the Hadronically Decaying Tau . . . . . . 108 5.9.4 Background Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5.9.5 Geometrical and Kinematical Acceptance AZ . . . . . . . . . . . . . 110 5.9.6 Energy Scale Uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.9.7 Further Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.9.8 Summary of Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.10 Combination of the Channels and Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.11 The Z → τ τ Cross Section Measurement in the LHC Physics Context . . . . 115 6 Summary and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 A Gauge Invariance in Quantum Electrodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 A.1 Local gauge invariance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 A.2 Gauge invariance of the Maxwell-Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 B Testbeam Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 C Tau Trigger Weighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 C.1 Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 C.2 Tau Trigger Efficiency Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 C.3 Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

Die laufenden Aufrüstungsarbeiten des Large Hadron Colliders haben das Ziel, die Luminosität der Teilchenkollisionen zu erhöhen. Die erhöhte Luminosität liefert zwar neue Möglichkeiten für Präzisionsmessungen und Teilchensuchen, stellt aber gleichzeitig eine große Herausforderung an die beteiligten Experimente. Aus diesem Grund wird auch der ATLAS-Detektor aufgerüstet. Der Fokus ist dabei, eine hohe Effizienz des Triggers sicherzustellen, der die interessanten Physikereignisse in Echtzeit auswählt. Dafür wird das Flüssig-Argon-Kalorimeter des ATLAS-Detektors mit einer neuen Ausleseelektronik ausgerüstet. Um die Funktionsfähigkeit zu testen, wurde ein Demonstrationsaufbau der zukünftigen Ausleseelektronik installiert und von 2014 bis 2018 parallel zur ATLAS- Datennahme betrieben. In dieser Arbeit werden die Daten, die mit dem Aufbau aufgezeichnet wurden, analysiert. Die neue Ausleseelektronik erlaubt es, komplexere Algorithmen zur Erkennung von Signal- und Untergrundereignissen zu nutzen. Es handelt sich dabei um Variablen zur Beschreibung der Form von elektromagnetischen und hadronischen Teilchenschauern im Flüssig-Argon-Kalorimeter. Die Effizienz dieser Variablen wird untersucht. Dabei wird nach Kombination mehrerer Variablen eine Untergrundunterdrückung hadronischer Jets von 75 % bei einer Elektronenerkennungseffizienz von 90 % erreicht. Die zukünftige, erhöhte Luminosität führt dazu, dass sich bei Teilchenkollisionen die Zahl der Ereignisse, die sich sowohl zeitlich als auch räumlich überlappen, erhöht. Der Effekt dieser Überlappereignisse hat Auswirkungen auf die Energierekonstruktion. Daher wird eine Untersuchung der Überlappereignisse durchgeführt, um eine möglichst genaue Kenntnis über diese zu erhalten. Für die Rekonstruktion aus den Signalen der im Detektor deponierten Energie stehen verschiedene digitale Signalfilter zur Auswahl. Die Performanz hinsichtlich der Signalerkennung dieser Algorithmen wird überprüft. Es zeigt sich, dass neue digitale Signalfilter zwar den Effekt des zeitlichen Überlapps von Detektorpulsen reduzieren, jedoch sehr sensitiv auf die genaue Pulsmodellierung sind. / The ongoing upgrade activities at the Large Hadron Collider aim for an increase of the luminosity in the particle collisions. The increased luminosity delivers new capabilities for precision measurements and searches for signatures of new physics. At the same time, challenges arise for the experiments. For this reason, the ATLAS detector is upgraded. The focus is on maintaining the high efficiency of the trigger that selects interesting physics events in real-time. Therefore, the Liquid-Argon calorimeter of the ATLAS detector is upgraded with new readout electronics. To evaluate the performance, a demonstrator readout was installed and operated in parallel to the data taking of the main readout between 2014 and 2018. In this thesis, the data recorded with the demonstrator is analyzed. The new readout electronics allow more sophisticated algorithms to distinguish between signal and background events. They are based on variables that describe electromagnetic and hadronic showers. The proposed shower-shape variables are studied concerning their trigger efficiency and background rejection power. With a combination of the shower-shape variables, a background rejection power of 75 % for hadronic jets is achieved while keeping the electron trigger efficiency at 90 %. The increase in luminosity will lead to an increase in in-time and out-of-time pile-up effects. These have an impact on the energy reconstruction. Therefore, pile-up events are investigated, to gain precise knowledge about their effects. For the energy reconstruction of the detector signals, different digital filter algorithms are available. The signal detection efficiency of these algorithms is examined. While new filter algorithms are capable of reducing the effect of out-of-time pile-up, they depend greatly on the correct phase of the pulse shape.

The Swedish Armed Forces are investigating high-risk applications where lithium-ion batteries (LIB) can replace traditional lead-acid batteries. Understanding the potential safety risks and evaluating a battery's instability is crucial for military applications. This report aimed to identify critical safety parameters (temperature, potential, and impedance) in commercial batteries with NMC and LFP electrode chemistries, and to investigate how surrounding cells are affected when a battery suffers from thermal runaway (TR) in a battery module developed by FOI. Accelerated rate calorimetry (ARC) experiments on NMC-based Samsung SDI INR21700-40T and INR21700-50E and LFP-based A123 Systems ANR26650m1-B batteries were conducted to identify critical onset conditions of TR. ARC experiments were conducted with continuous electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements to correlate thermal behavior with electrochemical changes in the cell impedance and voltage. The NMC-based batteries showed a distinct endothermic reaction between 116 °C and 121 °C, an onset temperature of exothermic self-heating at around 120 °C, which progressed to an explosive decomposition at about 170 °C and resulted in an adiabatic temperature rise of 250 °C to 290 °C. A significant increase in the cell’s impedance at around 100 °C indicated that the current interrupt device (CID) was triggered due to gas formation and critical pressure build-up within the cell. The LFP-based battery demonstrated improved thermal stability during ARC measurements and did not suffer from TR when heated to 300 °C. Thermal runaway propagation experiments were conducted in a battery module developed by FOI. The identified onset temperatures and electrochemical markers were then used to evaluate the stability of the module cells. Cell temperature increases between 16 °C and 48 °C was observed in cells directly adjacent to the trigger cell. Cells further from the trigger cell experienced uniform temperature increases of between 8 °C and 30 °C. EIS measurements of the module cells revealed no significant changes in their impedance spectra. The insulating polymer wrap around each cell was found to be crucial in preventing TR propagation. TR propagated from cell-to-cell in the module when the insulating wraps were removed, and cells were in direct contact with the thermally conductive heat sink. / Försvarsmakten undersöker högriskapplikationer där litiumjonbatterier kan ersätta traditionella blysyrabatterier. Att förstå säkerhetsrisker och utvärdera ett batteris instabilitet är särskilt viktigt för militära tillämpningar. Denna rapport syftar till att identifiera kritiska säkerhetsparametrar (temperatur, spänning och impedans) för kommersiella batterier med NMC- och LFP-elektrodkemier samt undersöka hur omkringliggande celler påverkas när ett batteri termiskt rusar (TR) i en batterimodul utvecklad av FOI. ARC-experiment genomfördes på NMC-baserad Samsung SDI INR21700-40T och INR21700-50E och A123 Systems ANR26650m1-B batterier för att karakterisera förloppet av termisk rusning (TR). ARC-experiment utfördes med kontinuerliga elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) för att korrelera termiskt beteende med elektrokemiska förändringar i cellimpedansen och spänningen. Det NMC-baserade batterierna uppvisade en tydlig endotermisk reaktion mellan 116 °C och 121 °C, exotermiska reaktioner påbörjades vid 120 °C och ledde till explosiv termisk rusning vid cirka 170 °C, vilket gav upphov till en adiabatisk temperaturökning på 250 °C till 290 °C. En signifikant ökning av cellens impedans vid cirka 100 °C indikerade att den inre säkerhetsventilen utlöstes på grund av gasbildning och kritisk tryckuppbyggnad i cellen. Det LFP-baserade batteriet visade förbättrad termisk stabilitet under ARC-mätningar och drabbades inte av TR vid uppvärmning till 300 °C. Termiska rusningsförsök genomfördes på en batterimodul utvecklad av FOI. De identifierade starttemperaturerna och elektrokemiska markörerna användes för att utvärdera modulcellernas stabilitet. Celltemperaturökningar mellan 16 °C och 48 °C observerades i celler direkt intill triggcellen. Celler längre från triggcellen upplevde likformiga temperaturökningar mellan 8 °C och 30 °C. EIS-mätningar av modulcellerna avslöjade inga signifikanta förändringar i deras impedansspektra. Det isolerande polymeromslaget runt varje cell var avgörande för att förhindra propagering av termisk rusning i modulen. Termisk rusning propagerade från cell till cell i modulen när de isolerande omslagen togs bort och cellerna var i direkt kontakt med den värmeledande kylflänsen.

Im Jahr 2026 beginnt im Rahmen der Phase-II Erweiterung der Ausbau des Large Hadron Colliders, damit dieser zukünftig mit dem bis zu 7.5-fachen seiner nominellen Luminosität betrieben werden kann. Der Beginn der Datenaufnahme für den sogenannten High-Luminosity Large Hadron Collider ist für 2029 vorgesehen. Durch die Erweiterung wird eine wesentliche Zunahme der Kollisionsrate und damit der Kollisionsdaten erwartet, welche die heutige Auffassung von Theorien jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik verbessern wird. Zusammen mit der Steigerung interessanter Ereignisse werden jedoch auch Proton-Proton-Kollisionen mit meist niederenergetischen hadronischen Teilchen im Endzustand und damit Signalüberlappungen zunehmen. Am ATLAS-Experiment führt dies zu höheren Anforderungen an die Detektorelektronik und die Echtzeit-Datenverarbeitung. Für die Flüssig-Argon-Kalorimeter ist ein Austausch der gesamten Elektronik vorgesehen. Studien konnten zeigen, dass der Optimalfilter, der derzeit zur Energierekonstruktion eingesetzt wird, einen erheblichen Leistungsabfall verzeichnen wird. Eine zuverlässige Energieinformation ist jedoch essentiell, insbesondere auch für das Triggersystem. Im Rahmen dieser Arbeit wurden sogenannte Faltungsnetzwerke für die Rekonstruktion von Energiedepositionen in Flüssig-Argon-Kalorimeterzellen entwickelt. Da diese auf Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) mit strengen Ressourcenbeschränkungen implementiert werden sollen, müssen diese nicht nur eine hohe Rekonstruktionsgenauigkeit zeigen, sondern auch einen geringen Ressourcenverbrauch haben. Eine Hyperparametersuche wird präsentiert, die das Bestimmen geeigneter Netzwerkarchitekturen ermöglicht. Für das Trainieren und Testen von Faltungsnetzwerken wurden Daten mit realistischen Signalszenarien anhand der AREUS-Simulationssoftware generiert. Die verschiedenartigen Signalbedingungen und Leistungsanforderungen machen eine umfassende Untersuchung des Energierekonstruktionsalgorithmus erforderlich. Die Reproduzierbarkeit der Trainingsergebnisse der Faltungsnetzwerke stellt eine weitere Anwendungsvoraussetzung dar. Infolgedessen beschreibt diese Arbeit ein umfangreiches Qualifizierungsprozedere, welches für jedweden Energierekonstruktionsalgorithmus angewandt werden kann. Die präsentierten Faltungsnetzwerke erfüllen die FPGA Ressourcenbeschränkungen und zeigen darüber hinaus essentielle Leistungsverbesserungen gegenüber dem Optimalfilter. Das Faltungsnetz mit der besten Leistung besteht aus zwei Schichten und nutzt Dilatation, um den einfließenden Signalbereich auszudehnen. Dies erlaubt dem Netzwerk, mehr Informationen von vergangenen Signalereignissen zu erhalten, während gleichzeitig die Zahl der Netzwerkparameter niedrig gehalten wird. Es wird gezeigt, dass das zweischichtige Faltungsnetzwerk Verbesserungen hinsichtlich Signaleffizienz und Energieauflösung, insbesondere für überlappende Signale, liefert. Des Weiteren wird die Robustheit gegenüber variierenden Signalankunftszeiten und sich verändernden Untergrundbedingungen vorgestellt, sowie die Erfüllung der Trainingsreproduzierbarkeit demonstriert. Zusammengefasst beschreibt diese Arbeit die systematische Entwicklung und Erprobung von Faltungsnetzwerken für die Energierekonstruktion von Flüssig-Argon-Kalorimetersignalen am ATLAS-Detektor. In diesem Rahmen wurden allgemeine Qualifizierungskriterien erarbeitet, die das Potential der Faltungsnetzwerke gegenüber der aktuellen Methode, dem Optimalfilter, aufzeigen. / In 2026, the expansion of the Large Hadron Collider will begin as part of the Phase II extension so that it can be operated at up to 7.5 times its nominal luminosity in future. The start of data acquisition for the so-called High-Luminosity Large Hadron Collider is scheduled for 2029. The expansion is expected to significantly increase the collision rate and thus the collision data, which will improve the current understanding of theories beyond the standard model of particle physics. However, together with the increase in interesting events, proton-proton collisions with mostly low-energy hadronic particles in the final state and thus signal overlaps will also increase. At the ATLAS experiment, this will lead to higher demands on the detector electronics and real-time data processing. The entire electronics for the liquid argon calorimeters will be replaced. Studies have shown that the optimal filter, which is currently used for energy reconstruction, will experience a considerable drop in performance. However, reliable energy information is essential, especially for the trigger system. As part of this work, so-called convolutional networks were developed for the reconstruction of energy depositions in liquid argon calorimeter cells. Since these are to be implemented on field programmable gate arrays (FPGAs) with strict resource constraints, they must not only show a high reconstruction accuracy but also have a low resource consumption. A hyperparameter search is presented, which enables the determination of suitable network architectures. For the training and testing of convolutional networks, data with realistic signal scenarios were generated using the AREUS simulation software. The different signal conditions and performance requirements necessitate a comprehensive investigation of the energy reconstruction algorithm. The reproducibility of the training results of the convolutional networks is a further application requirement. Consequently, this thesis describes a comprehensive qualification procedure that can be applied to any energy reconstruction algorithm.

The Liquid Argon calorimeter of the ATLAS detector at CERN near Geneva is equipped with improved readout and trigger electronics for the operation at higher luminosity LHC in the frame of several upgrades (Phase-0, I, and II). Special attention is given to an early digitisation of detector raw data and their following digital data transmission and processing via FPGAs already for the Level-1 trigger. The upgrades additionally foresee to provide higher spatial granularity information for the Level-1 trigger in order to improve its performance for low momentum single particles at increased collision rates. The first part of this dissertation contains the development and implementation of a modular detector simulation framework, AREUS, which allows to analyse different filter algorithms for the energy reconstruction as well as their performance with respect to the expected digitised detector raw data. In this detector simulation framework the detailed algorithmic functionality of the FPGAs has been taken into account. Various filter algorithms, especially the Optimal Filter and a Wiener Filter with Forward Correction, are discussed with regard to their performance in energy reconstruction of the future Liquid Argon calorimeter trigger system. In the second part of this thesis, the high-speed data transfer for the acquisition of the trigger data is being developed. For this purpose, a generic 10 Gigabit Ethernet UDP stack is designed in VHDL, that is currently applied in an ALTERA® Stratix-IV FPGA as part of the readout electronics of a demonstrator setup in the context of the Phase-0 Upgrade. After implementation in a prototype electronics board, data transfer from the detector front-end is realised. A successful test in the demonstrator setup installed in the ATLAS detector verifying the correct transmission of the Liquid Argon calorimeter trigger signals concludes this work. / Das Flüssig-Argon-Kalorimeter des ATLAS-Detektors am CERN bei Genf wird für den Betrieb am LHC mit erhöhter Luminosität im Rahmen mehrerer Upgrades (Phase-0, I und II) mit verbesserter Auslese- und Triggerelektronik ausgestattet. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der frühzeitigen Digitalisierung der Detektorrohdaten und deren folgende digitale Übertragung sowie Verarbeitung mittels FPGAs bereits für den Level-1 Trigger. Die Upgrades sehen zusätzlich vor, dem Level-1 Trigger eine höhere Ortsauflösung bereitzustellen um seine Leistungsfähigkeit der Energierekonstruktion von niedrigenergetischen Teilchen bei erhöhter Kollisionsrate zu verbessern. Der erste Teil dieser Dissertation beinhaltet die Entwicklung und Umsetzung einer modularen Detektorsimulationsumgebung, AREUS, mit der verschiedene Filteralgorithmen zur Energierekonstruktion sowie deren Performanz in Abhängigkeit der erwarteten digitalisierten Detektorrohdaten analysiert werden können. Dabei wurde in der Simulationsumgebung die Funktionalität der Rechenarithmetik der später verwendeten FPGAs berücksichtigt. Verschiedener Filteralgorithmen, im Besonderen der Optimal Filter und ein Wiener Filter mit Korrekturglied, werden im Hinblick auf ihre Performanz der Energierekonstruktion für das zukünftige Triggersystem des Flüssig-Argon-Kalorimeters diskutiert. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung zur Erfassung von Triggerdaten. Zu diesem Zweck wird ein generischer 10 Gigabit Ethernet UDP Stack in VHDL entworfen, der als Teil der Ausleseelektronik eines Demonstrator-Testaufbaus im Rahmen des Phase-0 Upgrades in einem ALTERA® Stratix-IV FPGA aktuell zum Einsatz kommt. Nach Implementierung in einem Prototypen einer Auslesekarte konnte ein Transfer von Detektordaten realisiert werden. Eine Überprüfung am Demonstrator-Testaufbau, welcher im ATLAS Detektor installiert ist, schließt diese Dissertation ab. Sie hat eine korrekte Übertragung von Triggersignalen des Flüssig-Argon-Kalorimeters erfolgreich bestätitgt.

The Liquid Argon calorimeter of the ATLAS detector at CERN near Geneva is equipped with improved readout and trigger electronics for the operation at higher luminosity LHC in the frame of several upgrades (Phase-0, I, and II). Special attention is given to an early digitisation of detector raw data and their following digital data transmission and processing via FPGAs already for the Level-1 trigger. The upgrades additionally foresee to provide higher spatial granularity information for the Level-1 trigger in order to improve its performance for low momentum single particles at increased collision rates. The first part of this dissertation contains the development and implementation of a modular detector simulation framework, AREUS, which allows to analyse different filter algorithms for the energy reconstruction as well as their performance with respect to the expected digitised detector raw data. In this detector simulation framework the detailed algorithmic functionality of the FPGAs has been taken into account. Various filter algorithms, especially the Optimal Filter and a Wiener Filter with Forward Correction, are discussed with regard to their performance in energy reconstruction of the future Liquid Argon calorimeter trigger system. In the second part of this thesis, the high-speed data transfer for the acquisition of the trigger data is being developed. For this purpose, a generic 10 Gigabit Ethernet UDP stack is designed in VHDL, that is currently applied in an ALTERA® Stratix-IV FPGA as part of the readout electronics of a demonstrator setup in the context of the Phase-0 Upgrade. After implementation in a prototype electronics board, data transfer from the detector front-end is realised. A successful test in the demonstrator setup installed in the ATLAS detector verifying the correct transmission of the Liquid Argon calorimeter trigger signals concludes this work. / Das Flüssig-Argon-Kalorimeter des ATLAS-Detektors am CERN bei Genf wird für den Betrieb am LHC mit erhöhter Luminosität im Rahmen mehrerer Upgrades (Phase-0, I und II) mit verbesserter Auslese- und Triggerelektronik ausgestattet. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der frühzeitigen Digitalisierung der Detektorrohdaten und deren folgende digitale Übertragung sowie Verarbeitung mittels FPGAs bereits für den Level-1 Trigger. Die Upgrades sehen zusätzlich vor, dem Level-1 Trigger eine höhere Ortsauflösung bereitzustellen um seine Leistungsfähigkeit der Energierekonstruktion von niedrigenergetischen Teilchen bei erhöhter Kollisionsrate zu verbessern. Der erste Teil dieser Dissertation beinhaltet die Entwicklung und Umsetzung einer modularen Detektorsimulationsumgebung, AREUS, mit der verschiedene Filteralgorithmen zur Energierekonstruktion sowie deren Performanz in Abhängigkeit der erwarteten digitalisierten Detektorrohdaten analysiert werden können. Dabei wurde in der Simulationsumgebung die Funktionalität der Rechenarithmetik der später verwendeten FPGAs berücksichtigt. Verschiedener Filteralgorithmen, im Besonderen der Optimal Filter und ein Wiener Filter mit Korrekturglied, werden im Hinblick auf ihre Performanz der Energierekonstruktion für das zukünftige Triggersystem des Flüssig-Argon-Kalorimeters diskutiert. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung zur Erfassung von Triggerdaten. Zu diesem Zweck wird ein generischer 10 Gigabit Ethernet UDP Stack in VHDL entworfen, der als Teil der Ausleseelektronik eines Demonstrator-Testaufbaus im Rahmen des Phase-0 Upgrades in einem ALTERA® Stratix-IV FPGA aktuell zum Einsatz kommt. Nach Implementierung in einem Prototypen einer Auslesekarte konnte ein Transfer von Detektordaten realisiert werden. Eine Überprüfung am Demonstrator-Testaufbau, welcher im ATLAS Detektor installiert ist, schließt diese Dissertation ab. Sie hat eine korrekte Übertragung von Triggersignalen des Flüssig-Argon-Kalorimeters erfolgreich bestätitgt.