Proefschrift Universiteit van Amsterdam. / Met lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

Proefschrift Universiteit van Amsterdam. / Auteursnaam op omslag: Ard van Sighem. Met lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

Proefschrift Rijksuniversiteit Groningen. / Met lit. opg. - Met een samenvatting in het Nederlands.

In dieser Arbeit werden die Zerfälle des schwersten bekannten Leptons, des Tau, in die beiden leichteren Leptonen, Elektron oder Muon, untersucht. Die durch Elektron-Positron-Annihilation am LEP-Speicherring entstehenden Tau-Paare werden ausgewertet, um die Verzweigungsverhältnisse B_{l=e,\mu} = \frac{\Gamma(\tau\to\nu_\tau l\bar{\nu}_l)}{\Gamma_{tot}} zu bestimmen. Die Analyse erfolgt für die gesamte bei LEP~I mit dem L3-Detektor auf der Z-Resonanz aufgezeichnete Datenmenge. Aus über 160000 selektierten Tau-Zerfällen werden die leptonischen Zerfälle identifiziert und die leptonischen Verzweigungsverhältnisse gemessen: B_e = (17.806 \pm 0.104_{stat} \pm 0.076_{sys}) B_\mu = (17.342 \pm 0.110_{stat} \pm 0.067_{sys}) Das daraus bestimmte Verhältnis der Kopplungen von Elektron und Muon im geladenen schwachen Strom \frac {g_\mu}{g_e} = 1.0007 \pm 0.0051 stimmt ausgezeichnet mit der aus dem Standardmodell entsprechend der angenommenen Lepton-Universalität erwarteten Gleichheit der Kopplungen überein. Durch Vergleich der Verzweigungsverhältnisse mit der im Stan dardmodell berechneten leptonischen Zerfallsbreite \Gamma (\tau\to\nu_\tau l\bar{\nu}_l) wird ein Wert für die Tau- Lebensdauer bestimmt, der mit der direkten Messung sehr gut verträglich ist. Unter Hernahme der direkten L3-Messung der Tau-Lebensdauer wird die Universalität der Kopplungen am Wl\bar{\nu}_l-Vertex für g_\tau/g_\mu und g_\tau/g_e mit einer Genauigkeit von 6 Promille bestätigt. Aus dem Verhältnis der hadronischen zur leptonischen Zerfallsbreite des Tau wird die Kopplungskonstante der starken Wechselwirkung gemessen: \alpha_s(m_\tau)=0.324~\ pm~0.009_{Experiment}~\pm~0.017_{Theorie}Der daraus zur Masse des Z-Bosons extrapolierte Wert\alpha_s(m_\mathrm{Z}) = 0.1191~\pm~0.0009_{Experiment}~\pm~0.0019_ {Theorie}ist in exzellenter Übereinstimmung mit den direkten Messungen und bestätigt die von der QCD vorhergesagte Energieabhängigkeit der Kopplungskonstante. Die Masse m_{\nu_\tau} des Tau-Neutrinos läßt sich aus dem Vergleich der gemessenen mit einer für m_{\nu_\tau} berechneten leptonischen Zerfallsbreite begrenzen auf:m_{\ nu_ \tau} < 107 MeV (mit 95% Wahrscheinlichkeit)\end {eqnarray*} Das Verhältnis aus B_\mu und B_e ist sensitiv auf die Kopplungen an ein geladenes Higgs-Dublett und liefert eine Grenze für die Masse des geladenen Higgs-Bosons von m_{H^{\pm}} > 1.0 \tan \beta GeV (mit 95% Wahrscheinlichkeit) Hierbei ist \tan \beta das Verhältnis der Vakuumerwartungswerte beider Higgs-Dubletts. / This is a study of the decays of the heaviest known lepton, the tau, into the two lighter leptons, electron or muon. From tau pairs produced at the LEP storage ring in electron-positron annihilation the leptonic branching fractions of the tau, B_{l=e,\mu}=\frac{\Gamma(tau\to\nu_tau l\bar{\nu}_l)}{\Gamma_{tot}}, are measured. The analysis was performed using the full LEP I data sample collected with the L3 detector at centre-of-mass energies around the Z mass. Within about 160000 selected tau decays the leptonic decays were identified and the branching fractions are measured as: B_e = (17.806 \pm 0.104_{stat} \pm 0.076_{sys})B_\mu = (17.342 \pm 0.110_{stat} \pm 0.067_{sys}). It is used to test the electron-muon universality in the weak charged current couplings: \frac {g_\mu}{g_e} = 1.0007 \pm 0.0051 . The ratio of the couplings of electron and muon is in excellent agreement with the Standard Model assumption of 1. Using the Standard Model prediction for the leptonic decay width, \Gamma(tau\to\nu_tau l\bar{\nu}_l), the tau lifetime is determined, precisely confirming direct measurements. Together with the L3 measurement of the tau lifetime the universality in the couplings at the Wl\bar{\nu}_l vertex is verified for g_tau/g_\mu and g_tau/g_e at a level of 6 permille. The ratio of hadronic to leptonic tau decay width, R_tau, is calculated from the measured leptonic branching fractions, and a value of the QCD coupling constant is extracted:\alpha _s(m_tau) = 0.324~\pm~0.009_{exp}~\pm~0.017_{theory}. The value obtained by evolving \alpha_s(m_tau) to the Z mass, \alpha_s(m_\z)= 0.1191~\pm~0.0009_{exp}~\pm~0.0019_{theory}, agrees very well with direct measurements and confirms the predicted running of \alpha_s. An upper limit for the mass of the tau neutrino, m_{\nu_{tau}}, is estimated from a comparison of the measured leptonic tau decay rate to a prediction as a function of m_{\nu_tau}: m_{\nu_tau} < 107 MeV (at 95% confidence level) The ratio of B_\mu to B_e is sensitive to the couplings to a charged Higgs doublet and allows to set a limit on the mass of the charged Higgs boson m_{H^{\pm}} > 1.0 \tan \beta GeV (at 95\% confidence level), where \tan \beta is the ratio of the vacuum expectation values of the two Higgs doublets.

Obwohl das Standardmodell der Teilchenphysik eines der erfolgreichsten physikalischen Theorien der modernen Geschichte ist, wurden schon früh viele theoretische Erweiterung entwickelt, welche versuchen, die offenen Fragen des Standardmodells zu lösen. So bietet das Standardmodell keine Erklärung für die Existenz der dunklen Materie oder eine vereinheitlichte Theorie der fundamentalen Wechselwirkungen an. Viele der Modelle erweitern das Standardmodell mit zusätzlichen Symmetrien wie zum Beispiel der Supersymmetrie. Die einfachste supersymmetrische Erweiterung des Standardmodells ist das Minimal Supersymmetrische Standardmodell (MSSM). Diese Modelle sagen die Existenz eines zweiten Higgs-Dublette Feldes voraus, welches die Präsenz zusätzliche Higgs-Bosonen zur Folge hätte. Daher ist die Suche nach zusätzlichen Higgs-Bosonen ein wichtiges Fenster zur Suche nach Physik jenseits des Standardmodells. In dieser Arbeit wird die Suche nach zusätzlichen, schweren und neutralen A und H Higgs-Bosonen im voll-hadronischen di-Tau Zerfallskanal präsentiert. Die Suche basiert auf dem vollständigen LHC Run-2 Datensatz, aufgezeichnet vom ATLAS Detektor in der Zeit von 2015 bis 2018. Die aufgezeichneten Daten entsprechen einer intrigierten Luminosität von 139 fb^−1 . Da kein signifikanter Überschuss an Daten im Verhältnis zur Untergrundabschätzung beobachtet wurde, werden die Resultate der Suche in Form von Ausschlussgrenzen auf den Wirkungsquerschnitt mal dem Verzweigungsverhältnis für Higgs-Bosonen mit Massen zwischen 200 GeV und 2500 GeV, welche via Gluon-Gluon-Fusion oder b-assoziierter Produktion generiert wurden, angegeben. Die Ausschlussgrenzen werden berechnet mit einem Vertrauensniveau von 95 %. Die Resultate des voll-hadronischen Zerfallskanals werden kombiniert mit denen des semi-leptonischen Zerfallskanals und anschließend in den m_A-tanβ Parameterraum des hMSSM Modells als auch weiterer mh125 Modellvarianten transformiert. Die kombinierten Ausschlussgrenzen im Parameterraum des hMSSM Modells werden mit jener vorherigen Analysen publiziert durch die ATLAS und CMS Kollaboration verglichen, welche auf einem vorläufigen Run-2 Datensatz basieren. Im Verhältnis zu den vorherigen Resultaten von ATLAS (CMS) wurde eine signifikante Verbesserung von 10 % (11 %) für m A = 500 GeV bis hin zu 63 % (67 %) für m_A = 1200 GeV beobachtet. Des Weiteren wird in dieser Arbeit ein neuartiger Algorithmus, basierend auf moderner rekurrenten neuronalen Netzen vorgestellt, welcher Spuren im inneren Detektor des ATLAS Experiments hadronisch zerfallenden Tauonen zuordnen kann. Die Zuordnung der Spuren zu Tauonenzerfällen ist ein integraler Bestandteil der Rekonstruktion hadronisch zerfallender Tau-Leptonen bei ATLAS und liefert wichtige Informationen über dessen Ladung und Zerfallsmultiplizität. Durch Verwendung neuronaler Netze kann ein erheblicher Zuwachs in der Rekonstruktionseffizienz von 10 % und 20 % für hadronische Tauonzerfälle mit einer Zerfallsmultiplizität von 1 und 3 erreicht werden. Aufgrund dieser Verbesserungen erreicht der neue Algorithmus eine Rekonstruktionseffizienz nahe der maximal möglichen Effizienz. Zusätzlich ist es möglich, durch Ausnutzen der inhärenten Flexibilität neuronaler Netze das Training so zu verändern, dass die Netze unterschiedliches verhalten auf QCD Untergrund aufweisen. Es werden zwei Trainingskonfigurationen beschrieben, welche für die offline Datenanalyse oder die Anwendung in Trigger-Entscheidungen optimiert wurden. / Although the Standard Model of particle physics is one of the most successful and well-tested theories in physics, many extensions to the Standard Model were proposed that aim to resolve its shortcomings. Many of these models extend the Standard Model by adding additional symmetries such as Supersymmetry with one of the simplest being the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). Supersymmetric models also require the presence of a second Higgs-doublet field which predicts the existence of additional Higgs bosons. Hence, the search for these additional Higgs bosons provides an important window into investigating physics beyond the Standard Model. In this thesis, the search for additional heavy neutral Higgs bosons A and H decaying into a fully hadronic tau lepton pair is presented based on 139 fb^−1 of data taken by the ATLAS detector during the full LHC Run-2 data taking period from 2015 to 2018. Since no significant excess of data with respect to the background estimation was found, the results are presented in terms of 95 % CL upper exclusion limits on the cross-section times branching ratio for Higgs bosons produced via gluon-gluon fusion and b-associated production. Different Higgs boson mass hypotheses are taken into account ranging from 200 GeV to 2500 GeV. A combination with the semi-leptonic search channel is performed whose exclusion limits are transformed into the m_A-tanβ parameter space of the hMSSM and various mh125 benchmark model scenarios. The combined exclusion limit set in the hMSSM model is compared to the previous publications by the ATLAS and CMS collaboration based on early Run-2 data of 36.1 fb^−1 and 35.9 fb^−1 respectively. Compared to previous exclusion limits set by ATLAS (CMS) for the hMSSM scenario, significant improvements are observed ranging between 11 % (10 %) at m_A = 500 GeV up to 63 % (67 %) at m_A = 1200 GeV. In addition to the Higgs boson search, a novel algorithm is presented to identify and select charged particle tracks reconstructed in the ATLAS inner detector originating from hadronic tau lepton decays. The identification of these tracks is an important part of the tau lepton reconstruction and identification at ATLAS and provides information about the decay multiplicity and charge of the tau lepton. By deploying state-of-the-art recurrent neural networks the reconstruction efficiency for tau leptons with a true decay multiplicity of 1 and 3 charged hadrons improves by about 10 % and 20 % respectively. With this improvement, the neural networks achieve a reconstruction efficiency close to the maximum efficiency possible. By exploiting the flexibility of the neural networks, they can be optimized for both offline data analysis and fast software trigger applications.

Für verschiedene Richtgrößen, die untersucht werden, um Hinweise auf Neue Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik zu finden, stellt die Gitter-QCD stellt derzeit den einzigen Ab-initio-Zugang für die Berechnung von nichtperturbativen hadronischen Beiträgen dar. Zu diesen Observablen gehören die anomalen magnetischen Momenten der Leptonen und das Laufen der elektroschwachen Kopplungskonstanten. Wir bestimmen den führenden QCD-Beitrag zum anomalen magnetischen Moment des Myons mit Hilfe einer Gitter-QCD-Rechnung auf Ensemblen, die Nf=2+1+1 dynamische Twisted-Mass-Fermionen berücksichtigen. Durch die Betrachtung aktiver up, down, strange and charm Quarks können erstmalig Gitter-QCD-Daten für die Myonanomalie direkt mit phänomenologischen Resultaten verglichen werden, da letztere bei der derzeitigen Genauigkeit sensitiv auf die ersten beiden Quarkgenerationen sind. Unlängst wurde darauf hingewiesen, dass es auch möglich sein könnte Beiträge Neuer Physik durch verbesserte Messungen der anomalen magnetischen Momente des Elektrons und des Tauons nachzuweisen. Aus diesem Grund berechnen wir auch deren führende QCD-Beiträge, was gleichzeitig eine Überprüfung des Wertes für das Myon liefert. Zusätzlich nutzen wir die gewonnenen Daten, um den führenden hadronischen Beitrag zum Laufen der Feinstrukturkonstante zu berechnen. Darüber hinaus zeigen wir, dass sogar für den schwachen Mischungswinkel der führende QCD-Beitrag mit Hilfe dieser Daten berechnet werden kann. Dadurch identifizieren wir eine neue grundlegende Observable für die Suche nach Neuer Physik, deren hadronische Beiträge mit Hilfe der Gitter-QCD beschafft werden können. Mit den Resultaten dieser Arbeit ist es uns gelungen ungeeignete Herangehensweisen der phänomenologisch notwendigen Flavourseparation auszuschließen und somit direkt die derzeit präziseren phänomenologischen Bestimmungen dieser bedeutsamen physikalischen Größe zu unterstützen. / For several benchmark quantities investigated to detect signs for new physics beyond the standard model of elementary particle physics, lattice QCD currently constitutes the only ab initio approach available at small momentum transfers for the computation of non-perturbative hadronic contributions. Among those observables are the lepton anomalous magnetic moments and the running of the electroweak coupling constants. We compute the leading QCD contribution to the muon anomalous magnetic moment by performing lattice QCD calculations on ensembles incorporating Nf=2+1+1 dynamical twisted mass fermions. Considering active up, down, strange, and charm quarks, admits for the first time a direct comparison of the lattice data for the muon anomaly with phenomenological results because both the latter as well as the experimentally obtained values are sensitive to the complete first two generations of quarks at the current level of precision. Recently, it has been noted that improved measurements of the electron and tau anomalous magnetic moments might also provide ways of detecting new physics contributions. Therefore, we also compute their leading QCD contributions, which simultaneously serve as cross-checks of the value obtained for the muon. Additionally, we utilise the obtained data to compute the leading hadronic contribution to the running of the fine structure constant, which enters all perturbative QED calculations. Furthermore, we show that even for the weak mixing angle the leading QCD contribution can be computed from this data. In this way, we identify a new prime observable in the search for new physics whose hadronic contributions can be obtained from lattice QCD. With the results obtained in this thesis, we are able to exclude unsuitable phenomenologically necessary flavour separations and thus directly assist the presently more precise phenomenological determinations of this eminent quantity.