L’Univers est principalement constitué d’un ensemble d’éléments non baryoniques et non lumineux appelé la matière noire. L’un des candidats actuellement favorisés est une particule massive interagissant faiblement avec la matière ordinaire (WIMP) issue du Big Bang. Le programme DarkSide vise à la détection directe de WIMPs à l’aide d’une chambre à projection temporelle utilisant de l’argon liquide en double phase. La première étape de l’expérience, DarkSide-50 ( (46 ± 0,7) kg de masse active) est en cours d’exécution. Une première campagne, avec un remplissage d’argon atmosphérique(AAr), a produit la meilleure limite sur la section efficace WIMP-nucleon jamais obtenue par une expérience à base d’argon. La deuxième phase, avec un remplissage d’argon souterrain (UAr, appauvri en Ar-39), représente une étape importante vers la construction de DarkSide-20k, une expérience à bas bruit de fond avec une masse fiducielle de 20 t. Ce travail est principalement consacré à la description de la simulation Monte Carlo de DarkSide (G4DS), et à ses applications. G4DS, basé sur GEANT4, fournit la description géométrique de chaque détecteur du programme DarkSide ; il a été calibré afin de reproduire la réponse de DarkSide-50 avec une précision de l’ordre de 1 % et intègre un modèle spécifiquement développé pour la description des mécanismes d’ionisation et de scintillation dans l’argon liquide, étalonné sur des données expérimentales. Les principales applications de la simulation comprennent l’estimation du bruit de fond dû aux neutrons et gammas pour DarkSide-50, la mesure du facteur d’appauvrissement de l’Ar-39 en UAr par rapport à l’AAr et les études de conception pour DarkSide-20k. / A wide range of observational evidence suggests that the matter content of the Universe is dominated by a non-baryonic and non-luminous component: dark matter. One of the most favored candidate for dark matter is a big-bang relic population of Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs). The DarkSide program aims to the direct detection of WIMPs with a dual-phase liquid argon TPC and a background free exposure. The first phase of the experiment, DarkSide-50, is running since Oct 2013 and has (46 ± 0.7) kg active mass. A first run, with an atmospheric argon fill (AAr), provided the most sensitive limit ever obtained by an argon-based experiment. The current run, with an underground argon fill (UAr, depleted in Ar-39), represents a milestone towards the construction of DarkSide-20k, a low-background dual-phase TPC with a fiducial mass of 20 t. This work is been mainly devoted to the description of G4DS, the DarkSide Monte Carlo simulation, and to its applications. G4DS is a GEANT4-based simulation, it provides the geometry description of each detector of the DarkSide program, it is tuned to reproduce the DarkSide-50 response at the percent level and incorporates a custom model for ionization and scintillation mechanisms in liquid argon, tuned on real data. The principal applications of the simulation include the estimate of the neutron and gamma backgrounds for DarkSide-50, the measurement of the Ar-39 depletion factor in UAr with respect to AAr and the design studies for DarkSide-20k.

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.

Cette thèse de doctorat décrit la recherche de la production du boson de Higgs associée à une paire de quarks tops (tt̅H) dans un ensemble de données de collisions proton-proton à une énergie de centre de masse de √s = 13 TeV et avec une luminosité intégrée de 36,1 fb⁻¹, enregistrée par le détecteur ATLAS en 2015 et 2016. Sept états finaux, correspondants à différentes désintégrations du boson de Higgs, sont optimisés pour une meilleure séparation du signal par rapport au bruit de fond. Un excès d’événements par rapport au bruit de fond MS est observé avec une signification de 4,1 écarts types, tandis que 2,8 sont attendus. En combinaison avec des résultats de recherches avec d’autres canaux de désintégration du boson de Higgs, la production de tt̅H a été découverte par le détecteur ATLAS en utilisant jusqu’à 79,8 fb⁻¹ de données de collisions à √s = 7, 8 et 13 TeV.Les courants neutres, qui changent de saveur dans la désintégration du quark top en un boson de Higgs et un quark léger (t → Hq), sont fortement supprimés dans le MS. Des nouveaux modèles physiques peuvent prédire un rapport d’embranchement de t → Hc de 0,15%. La recherche de ces désintégrations, avec un état final à deux ou trois leptons, n’observe aucun signal. Une limite supérieure sur le ratio d’embranchement de t → Hc (t → Hu) avec un niveau de confiance de 95% est observé à 0,16% (0,19%) avec une limite attendue de 0,15% (0,15%).Pour contourner la limitation du nombre insuffisant des collisions, le LHC et ses expériences prévoient un plan de mise à niveau ambitieux. Un système de démonstration est en service depuis 2015 et ses performances étudiées avec des données de calibrations et de collisions. / This doctoral thesis describes the search for the associated Higgs boson production with a pair of top quarks (tt̅H) in a dataset of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of √s = 13 TeV and with an integrated luminosity of 36.1 fb⁻¹, recorded by the ATLAS detector in 2015 and 2016. Seven final states, associated to different Higgs boson decay, are optimised to get the best signal to background separation. An excess of events over the SM background is observed with a significance of 4.1 standard deviations, while 2.8 are expected. In combination with search results obtained for other Higgs boson decay channels, the tt̅H production has been discovered with the ATLAS detector using up to 79.8 fb⁻¹ of collision data at √s = 7, 8 and 13 TeV.Flavour-changing neutral currents in top quark decays into a Higgs boson and a light up-type quark (t → Hq) are strongly suppressed in the SM. New physics models can predict a t → Hc decay branching ratio of 0.15%. The search for these decays in final states with two or three leptons observes no signal. An upper limit on the t → Hc (t → Hu) decay branching ratio at a 95% confidence level is set at 0.16% (0.19%) with an expected limit of 0.15% (0.15%).To bypass the limitation of an insufficient amount of collision data, the LHC and its experiments foresee an ambitious upgrade plan. The current ATLAS Liquid Argon Calorimeter readout will be replaced to get an increased granularity to improve the trigger selectivity and avoid bandwidth saturation at high luminosity. A demonstrator system has been operated since 2015 and its performance studied with calibration and collision data.

Le projet DUNE est un projet d’expérience d’oscillations de neutrinos sur faisceau longue-distance, dédié en particulier à la détermination de la hiérarchie de masse des neutrinos et à la mesure de la phase de violation CP intervenant dans le mécanisme d’oscillations. Ce projet consiste en un faisceau intense de neutrinos de 1300 km et un détecteur massif contenant plus de 40 kilotonnes d’argon liquide, basé sur la technologie des chambres à dérive à argon liquide (LArTPC). Deux approches de cette technologie sont actuellement en développement, menant à l'installation au CERN de deux prototypes dont la construction devrait s'achever fin 2018. Le travail présenté dans cette thèse s’intègre dans le cadre du projet ProtoDUNE-DP, qui vise à prouver la faisabilité de la technologie dite « double-phase », c’est-à-dire utilisant de l'argon liquide et gazeux, pour les LArTPC de cette envergure. Deux signaux principaux sont attendus dans un tel détecteur, un signal de charges et un signal lumineux de scintillation. Le signal lumineux peut être utilisé dans le système de déclenchement d'acquisition des données, dans l’identification et éventuellement la réjection du signal dû aux muons cosmiques, et pour des mesures calorimétriques de précision. Des simulations préalables de ce signal sont donc nécessaires afin d'en comprendre les particularités et de développer des algorithmes d'identification. Cette thèse porte en particulier sur le développement de cette simulation et sur l’étude de la propagation des photons de scintillation au sein du détecteur. Les différents mécanismes de production de la lumière de scintillation, la simulation développée au cours de cette thèse et les études réalisées sur la propagation de la lumière de scintillation dans ProtoDUNE-DP seront présentés. Ces simulations ont également pu être comparées aux données recueillies avec un pré-prototype double-phase installé au CERN en 2017, afin de tester la validité de la simulation et d’en améliorer les différents paramètres. / DUNE is a future long-baseline neutrino experiment designed to determine, among others, the neutrino mass hierarchy and to measure the CP violation phase that enters the neutrino oscillation process. This project is based on a 1300 km long high intensity neutrino beam and a massive detector containing more than 40 kilotons of liquid argon using the liquid argon time projection chamber technology (LArTPC). Two approaches of this technology are currently under development, leading to the construction of two prototypes to be in place at the end of 2018 at CERN. The work of this thesis is part of the ProtoDUNE-DP project, which aims at probing the capabilities of the so-called “dual-phase” technology, that uses both gaseous and liquid argon, for a large-scale detector. Two kind of signals, a charge signal and a scintillation light signal, are expected in a LArTPC. The light signal can be used as a trigger, for the identification and rejection of the cosmic background, and for precise calorimetric measurements. Prior simulations of this signal are needed in order to improve our understanding of the scintillation light signal and to develop the identification algorithms. This work addresses the development of this simulation and the study of the scintillation photon behavior in the liquid argon detector. The different scintillation light production mechanisms, the developed simulation and the different studies on the light propagation in ProtoDUNE-DP are presented. These simulations have also been compared with light data taken at CERN in 2017 with a first demonstrator, in order to validate and tune the simulation.

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.

<p>In this study, universal databases and semi-empirical correlations are developed for cryogenic two-phase heat transfer and pressure drop in heated tubes undergoing flow boiling.</p>