Diese Dissertation beschreibt eine Messung von hadronischen Ereignisformvariablen (event shapes) in Protonkollisionen mit einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV am Large Hadron Collider (LHC) am CERN (Conseil Europeenne pour la Recherche Nucleaire) bei Genf (Schweiz). Die analysierten Daten mit einer integrierten Luminosität von 1.1 inversen fb wurden im Jahr 2011 mit dem ATLAS Experiment aufgenommen. Für die Analyse wurden solche Ereignisse ausgewählt, in deren harten Streuprozessen ein Z-Boson produziert wurde, welches entweder in ein Elektron-Positron-Paar oder ein Muon-Antimuon-Paar zerfällt. Die Observablen wurden mit sämtlichen rekonstruierten Spuren innerhalb der Akzeptanz des inneren Spurdetektors (Inner Detector) von ATLAS außer denen der Leptonen des Zerfalls des Z-Bosons berechnet. Somit handelt es sich hierbei um die erste Messung dieser Art. Anschließend wurden die Observablen auf Untergrundprozesse mit auf Daten basierenden Methoden korrigiert wobei ein neues Verfahren für die Korrektur des sogenannten Pile-up (Überlagerung mehrerer Proton-Proton Wechselwirkungen) entwickelt und erfolgreich zur Anwedung gebracht wurde. Schließlich wurden die gemessenen Verteilungen entfaltet. Die so erhaltenen Daten sind insbesondere sensitiv auf das sogenannte Underlying Event und können direkt mit Monte-Carlo-Ereignisgeneratoren ohne aufwändige Simulation des ATLAS-Detektors verglichen werden. Abschließend wurde versucht die Modellparameter in den Simulationsprogrammen Pythia8 und Sherpa mithilfe der gewonnenen Daten durch eine bessere Abstimmung (Tuning) zu verbessern. Hierbei zeigte sich, dass das zugrunde liegende Sjostrand-Zijl Modell nicht ausreicht, um eine adäquate Beschreibung der gemessenen Verteilungen zu erreichen. / This thesis describes a measurement of hadron-collider event shapes in proton-proton collisions at a centre of momentum energy of 7 TeV at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN (Conseil Europeenne pour la Recherche Nucleaire) located near Geneva (Switzerland). The analysed data (integrated luminosity: 1.1 inverse fb) was recorded in 2011 with the ATLAS-experiment. Events where a Z-boson was produced in the hard sub-process which subsequently decays into an electron-positron or muon-antimuon pair were selected for this analysis. The observables are calculated using all reconstructed tracks of charged particles within the acceptance of the inner detector of ATLAS except those of the leptons of the Z-decay. Thus, this is the first measurement of its kind. The observables were corrected for background processes using data-driven methods. For the correction of so-called pile-up (multiple overlapping proton-proton collisions) a novel technique was developed and successfully applied. The data was further unfolded to correct for remaining detector effects. The obtained distributions are especially sensitive to the so-called Underlying Event and can be compared with predictions of Monte-Carlo event-generators directly, i.e. without the necessity of running time-consuming simulations of the ATLAS-detector. Finally, it was tried to improve the predictions of the event generators Pythia8 and Sherpa by finding an optimised setting of relevant model parameters in a technique called Tuning. It became apparent, however, that the underlying Sjostrand-Zijl model is unable to give a good description of the measured event-shape distributions.

In dieser Arbeit wird eine kombinierte Messung der elektro-schwachen Produktion einzelner Top-Quarks im s- und t-Kanal vorgestellt. Der analysierte Datensatz von Proton-Proton-Kollisionsereignissen wurde im Jahr 2012 mit dem ATLAS Detektor am Large Hadron Collider bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV aufgezeichnet und entspricht einer integrierten Luminosität von 20.3 fb^{-1}. Die Ereignisauswahl beschränkt sich auf Ereignisse mit einem isolierten Elektron oder Myon und zwei Jets. Mit Hilfe der Matrix Element Methode werden Prozess-Likelihoods berechnet. Aus diesen wird eine Diskriminante gebildet um Signal- und Untergrundereignisse voneinander zu trennen. Die Wirkungsquerschnitte für die Produktion einzelner Top-Quarks wurden mittels eines kombinierten Maximum Likelihoods Fits zu sigma_{s} = 4,9 +- 1,7 pb und sigma_{t} = 82,32^{+7,0}_{-5,5} pb bestimmt. Die Korrelation zwischen beiden Messungen beträgt 8%. Diese beiden Ergebnisse werden zusammen mit einer unabhängigen Messung der assoziierten Wt Produktion verwendet um zwei Parameter, cquer_{phiq} und cquer_{qq}, im Rahmen einer effektiven Feldtheorie zu bestimmen. Notwendige Akzeptanzkorrekturen wurden mit Hilfe schneller und vereinfachter Detektorsimulationen ermittelt. Diese Korrekturen werden in dem statistischen Modell zur Bestimmung der effektiven Feldtheorie-Parametern berücksichtigt. Die kleinsten Intervalle, welche 95,5% des gesamten Wahrscheinlichkeitsbereichs entsprechen, sind -0,132 < cquer_{phiq} < 0,048 und -0,0283 < cquer_{qq} < 0,0062 für die beiden Kopplungsparameter. / This thesis presents a combined measurement of single top-quark production in the s and t-channel with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The 2012 data set of proton--proton collisions at a centre-of-mass energy of 8 TeV corresponding to an integrated luminosity of 20.3 fb^{-1} is used. The event selection for both channels requires one isolated electron or muon and two jets in the final state. In order to separate signal from background events, a discriminant variable is built from likelihoods obtained with the matrix element method. The cross section for both channels are determined by a combined maximum likelihood fit, which yields sigma_{s} = 4.9 +- 1.7 pb and sigma_{t} = 82.32^{+7.0}_{-5.5} pb for the s-channel and t-channel, respectively. The correlation of the two cross section measurements is 8%. These results together with an independent measurement of the associated Wt production are used to set limits on two parameters, cbar_{phiq} and cbar_{qq}, within the framework of an effective field theory. Acceptance corrections are derived as a function of the model parameters by using fast and simplified detector simulations. These corrections are included in the statistical model and the smallest intervals that correspond to 95.5% probability are -0.132 < cbar_{phiq} < 0.048 and -0.0283 < cbar_{qq} < 0.0062 for the two parameters.

Es wird eine Messung der s-Kanal Einzel Top-Quark Produktion in Proton-Proton Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV vorgestellt. Der verwendete Datensatz wurde mit dem ATLAS Detektor am LHC aufgenommen und entspricht einer integrierten Luminosität von 20.3 inversen Femtobarn. Kollisionsereignisse werden selektiert, sodass der resultierende Anteil der Signalereignisse relativ hoch ist. Selektierte Ereignisse enthalten ein isoliertes Elektron oder Myon, fehlenden Transversalimpuls und zwei Jets, die durch b-Quarks induziert wurden. Alle Objekte haben hohe transversalimpulse. Auch nach dieser Selektion überwiegen Untergrundprozesse, insbesondere die Paarproduktion von Top-Quarks und die Produktion von W-Bosonen begleitet von Jets. Um den Signalprozess weiter von den Untergründen zu trennen, werden mehrere Wahrscheinlichkeitsdichten näherungsweise berechnet. Sie unterscheiden sich hinsichtlich der Annahme des zugrundeliegenden Streuprozesses. Zusammen ergeben sie eine Funktion der gemessenen Impulse, mit deren Hilfe das Signal weiter von den Untergründen getrennt werden kann. Ein statistisches Modell der entsprechenden Verteilung wird an die Messdaten angepasst. Diese Messung ergibt eine Signifikanz des Signalprozesses von 3.4 Standardabweichungen und einen totalen Wirkungsquerschnitt von 5.3^+1.8_-1.6 Pikobarn. Dies ist die erste signifikante Messung der s-Kanal Einzel Top-Quark Produktion in Proton-Proton Kollisionen. Die Ergebnisse stimmen mit der Vorhersage des Standardmodells überein. / A measurement of s-channel single top-quark production in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 8 TeV is presented. The data set has been recorded with the ATLAS detector at the LHC and corresponds to an integrated luminosity of 20.3 inverse femtobarn. Collision events are selected so that a subset of the data is obtained where the signal fraction is relatively high. Selected events contain one isolated electron or muon, missing transverse momentum and 2 jets, both of which are induced by b-quarks. All of these objects have large transverse momenta. The resulting set of events is still dominated by background processes, most notably top-quark pair production and the production of W bosons in association with jets. In order to further separate the signal from the backgrounds, several approximate event likelihoods are computed. They are based on different hypotheses regarding the scattering process at hand. Together they result in a function of the measured momenta which allows for the desired separation of the signal process. A statistical model of the corresponding distribution is used in a fit to the measured data. The fit results in a signal significance of 3.4 standard deviations and a total cross section of 5.3^+1.8_-1.6 picobarn. This is the first evidence for s-channel single top-quark production in proton-proton collisions. The results agree with the standard model prediction.