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 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.