Diese Dissertation beschreibt die Messung des Wirkungquerschnitts für die Produktion von ttbb in Protonkollisionen mit einer Schwerpunktsenergie von √s = 8 TeV. Der verwendete Datensatz entspricht einer integrierten Luminosität von 20.3/fb. Der Wirkungsquerschnitt wurde aus der Anzahl der Signalereignisse bestimmt, die durch harte Schnitte insbesondere auf genau 4 identifizierten b-jets, selektiert wurden, was zu einer hohen Reinheit des Signals führt. Bei der Messung wurden die präzisesten Kalibrierungen von der Jet-Energieskala und der b-jet Effizienz benutzt. Die Messung wurde in einem Referenzphasenraum durchgeführt, der daraufhin optimiert wurde, die Abhängigkeit von der Modellierung zu minimisieren. Der gemessene Wirkungsquerschnitt beträgt 18.9 ± 3.5 (stat)+5.6 (sys) ± 0.6 (Lumi) fb oder, nachdem der Beitrag von ttH(bb) und ttZ(bb) abgezogen wurde: 17.8 ± 3.5 (stat)+5.9 (sys) ± 0.6 (Lumi) fb. Das Ergebnis wurde mit einer Vielzahl von theoretischen Vorhersagen verglichen, einschließlich NLO-Berechnungen mit Partonschauern und einer Reihe von Modellen die sich in der Beschreibung der Gluon Spaltung unterscheiden. Es wurde gezeigt, dass das exstremste Model den Wirkungsquerschnitt überschätzt und dass die Messung die Vorhersagen bevorzugt, die mit einer niedrigen Renormierungs- und Faktorisierungsskala, berechnet wurden. / This thesis presents the measurement of the ttbb production cross-section, using a dataset of 20.3/fb of pp collisions collected with the ATLAS detector at 8 TeV. The measurement is based on a cut-and-count method, using a sample of events with exactly four b-tagged jets, which is shown to have a high purity in signal events. The measurement exploits the most precise jet energy scale and b-tagging calibrations and is performed in a fiducial phase space that is designed to minimize the model dependence of the measurement. The fiducial cross-section is measured to be 18.9 ± 3.5 (stat)+5.6 (sys) ± 0.6 (Lumi) fb or subtracting the contribution from ttH(bb) and ttZ(bb) final states, 17.8 ± 3.5 (stat)+5.9 (sys) ± 0.6 (Lumi) fb. The result is compared with a multitude of theoretical predictions, including different NLO calculations matched to a parton shower, which constitute the most precise predictions available to date, as well as with a series of models that differ in the description of the gluon splitting to b-quarks. It is shown that the most extreme gluon splitting model overestimates the observed rate of ttbb production and that the measurement favors calculations performed with renormalization/factorization scales which are softer than the scales usually employed in similar calculations.

Im Rahmen dieser Dissertation wird die Stärke der Multibunch-Instabilität (MBI), die von longitudinalen Dipol-, transversalen Dipol- und Quadrupolschwingungsmoden höherer Ordnung getrieben werden mithilfe von analytischen Rechnungen und Trackingsimulationen in dem Ausbauprojekt BESSY Variable Pulse Length Storage Ring (BESSY VSR) des Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) untersucht und mit dem vorhanden aktiven Dämpfungssystem verglichen. Algorithmen für Trackingsimulationen werden hergeleitet und eine halbempirische Formel zur Abschätzung der transversalen quadrupolaren MBI wird präsentiert. MBI Studien bilden einen wesentlichen Teil der Beurteilung der BESSY VSR Hohlraumresonatoren und begleiteten und beeinflussten ihren Entwicklungsprozess. Mit Berechnungen auf Grundlage des neusten BESSY VSR Hohlraumresonatormodels kann Strahlstabilität als wahrscheinlich und unabhängig vom Füllmuster angesehen werden. Des weiteren wurden Messungen der MBI an BESSY II und der Metrology Light Source (MLS) der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt durchgeführt, bei welcher die longitudinale langreichende Impedanz charakterisiert wurde. Transiente Strahllast wird in dieser Arbeit mit analytischen Formeln und neuen, experimentell überprüften Trackingsimulationen berechnet. Für das Standardfüllmuster von BESSY VSR wurde gezeigt, dass die besondere Konfiguration der Hohlraumresonatorfrequenzen zu einer relativ starken Beeinflussung der langen Elektronenpakete führt. Diese verkürzt das Elektronenpaket und vergrößert die Touschekverluste. / In the scope of this thesis, the strength of coupled bunch instabilities (CBIs) driven by longitudinal monopole higher order modes (HOMs) and transverse dipole and quadrupole HOMs is evaluated for the upgrade project BESSY Variable Pulse Length Storage Ring (BESSY VSR) at Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB), based on analytic calculations and tracking simulations, and compared to the performance of an active bunch-by-bunch feedback (BBFB). Algorithms for tracking codes are derived, and a semi-empirical formula for the estimation of transverse quadrupole CBIs is presented. CBI studies are an integral part of the benchmarking of the cavity models for BESSY VSR and have been accompanying and influencing their entire design process. Based on the BESSY VSR cavity model with highly advanced HOM damping, beam stability is likely to be reached with a BBFB system, independent of the bunch fill pattern. Additionally, measurements of CBIs have been performed at BESSY II and the Metrology Light Source of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (MLS), where the longitudinal long range impedance was characterized. Transient beam loading is evaluated by means of analytic formulas and new experimentally verified tracking codes. For the baseline bunch fill pattern of BESSY VSR, it is shown that the particular setup of cavity frequencies amplifies the transient effect on the long bunch, limiting its elongation and potentially resulting in increased Touschek losses.

Das Thema der vorgelegten Dissertation ist der quasi-isochrone Betrieb der Metrology Light Source zur Erzeugung kurzer Elektronenpakete mit der damit verbundenen Emission von kohärenter Sychrotronstrahlung. Die Metrology Light Source wurde schon in der Planungsphase auf den quasi-isochronen Betrieb ausgelegt. Es stehen Quadrupol-, Sextupol- und Oktupolmagnete zur Verfügung, um die drei führenden Ordnungen des sogenannten momentum compaction factors zu kontrollieren. Der Schwerpunkte der Arbeit ist nichtlineare, longitudinale Strahldynamik, insbesondere die sogenannten "alpha-buckets". Der Vergleich zwischen analytischen Ansätzen, numerischen Simulation und experimentellen Daten wird vorgestellt und diskutiert. Desweiteren wurde die Stromlimitierung durch die Bursting-Instabilität an der Metrology Light Source untersucht. Der Großteil der Messungen ist dabei an der Metrology Light Source durchgeführt worden mit komplementären Messungen am Elektronenspeicherring BESSY II. / The subject of this thesis is the operation of an electron storage ring at a low momentum compaction to generate short electron bunches as a source for coherent synchrotron radiation. For this purpose the Metrology Light Source is ideally suited, as it is the first light source designed with the ability to adjust the three leading orders of the momentum compaction factor by quadrupole, sextupole and octupole magnets. Therefore, new opportunities to shape the longitudinal phase space arise. Focus will be put on beam dynamics dominated by nonlinear momentum compaction, in particular the generation of a new bucket type "alpha-buckets" and possible applications. Relation of analytical theory, numerical simulations and experimental data will be presented and discussed. In addition, the current limitation due to the bursting instability at the Metrology Light Source bunches will be investigated. The majority of measurements were conducted at the Metrology Light Source complemented by measurements at the BESSY II storage ring.

Das Forschungsfeld der Synchrotronstrahlungsquellen hat sich in den letzen Jahren entscheidend weiterentwickelt. Alle Zukunftsideen, unabhängig von ihrer Komplexität, haben dennoch eines gemeinsam: die Erzeugung kurzer Pulse. Die Naturwissenschaften haben die Spitzenbrillanz, die mit Hilfe kürzester Pulse produziert werden kann, als neues Schlüsselwerkzeug entdeckt. Die Nutzergemeinschaft verlangt nicht mehr nur ein statisches Bild, sondern vielmehr eine Reihe von bewegten Aufnahmen atomarer Substrukturen und den dazugehöringen Prozessen. Existierende dritte Generation Synchrotronstrahlungsquellen werden an die neuen Herausforderungen angepasst: Verbesserungen an der Magnet-Optik sowie der Einbau modernster Beschleunigertechnologie ermöglichen die Erzeugung kürzester Pulse mit höchster Brillanz für zeitaufgelöste Experimente. Ein möglicher Kandidat für die Lichtquelle der nächsten Generation ist ein Linear-Beschleuniger mit Energierückgewinnung. Durch die Verwendung langer Beschleunigungsstrukturen kann es, selbst bei hohen Energien, nicht zur Ausbildung des Emittanzgleichgewichts wie in Speicherringen kommen. Durch die Verwendung Impulsabhängiger-Umlaufbahnen und der Rückgewinnung der Strahlenergie ist es mit `Energy Recovery Linac'' (ERL)-basierten Quellen energieeffizient möglich, hochenergetische Elektronen-Pulse im Femtosekundenbereich zu erzeugen. Die longitudinale Elekronstrahldynamik solcher ERLs ist eines der Hauptthemen dieser Arbeit. Umfangreiche Simulationen über die gesamte Maschine wurden im Rahmen der `Femto-Science Factory'' Lichtquellen Studie durchgeführt. Die Begrenzungen des Kurzpulsmodus Betriebes wurden untersucht und mit den Erwartungen verglichen. Besondere Aufmerksamkeit lag dabei auf den 6D Elektronenstrahleigenschaften, insbesondere auf der Vermeidung von Strahlaufweitungen, die mit der Erzeugung von Ultra-Kurzpulsen einhergehen können. / Synchrotron light sources are entering a new era. No matter how elaborate, all the next generation proposals share a common necessity; the production of ultra-short electron bunches. There is an evolution in the field of science under investigation using the high peak brilliance generated from such bunches. The user community is demanding not just pictures but videos of atomic substructures and the processes that define them. Existing 3rd generation facilities are modifying their magnetic lattices and upgrading the acceleration schemes in order to keep up with this trend of generating short pulses with ultimate brilliance for time resolved experiments. A possible candidate for the next generation light source is one based on ERL technology. Using long linacs to accelerate to high energies overcomes the present limitation of emittance equilibrium in storage rings. By implementing independent arcs for acceleration and deceleration while recuperating the beams energy, ERL based sources are theoretically capable of efficiently producing high energy femtosecond long bunch lengths. The study of the longitudinal motion of the beam through single pass magnetic optic in combination with linacs is the main topic of this thesis. Dedicated start-to-end simulations in the framework of the Femto-Science Factory large scale light source are undertaken. The expectations and restrictions on the short pulse mode (SPM) operation are comprehensively examined in this work. Particular attention is given to the 6D electron beam properties and with it the beam degradation caused by the production of ultra-short bunches.