Diese Arbeit stellt eine Messung des W+W- Produktionswirkungsquerschnitts in pp Kollisionen bei einer Schwerpunktenergie von √s = 13 TeV vor. Der verwendete Datensatz wurde mit dem ATLAS Detektor im Jahr 2015 aufgezeichnet und entspricht einer integrierten Luminosität von 3,16 fb-1. Die W+W- Ereignisse werden über leptonische Zerfälle der W-Bosonen selektiert, wobei jeweils eines der W Bosonen in ein Elektron und ein Elektronneutrino und das andere in ein Myon und ein Myonneutrino zerfällt. Der gemessene Wirkungsquerschnitt in einem Referenzphasenraum, der nahe der Detektorakzeptanz definiert ist, beträgt σ (fiducial, W+W-) = 529 ± 20 (stat.) ± 50 (syst.) ± 11 (lumi.) fb. Das Ergebnis stimmt innerhalb der Fehlergrenzen mit der besten verfügbaren Standardmodell-Vorhersage von 478 ± 17 fb überein. Die kinematischen Verteilungen der im Zerfall der beiden W Bosonen produzierten Leptonen wurden genauer untersucht, um die drei- Eichbosonenkopplung bei den WWγ und WWZ Vertizes zu messen. Abweichungen dieser Kopplungen vom Standardmodell können ein Hinweis auf neue Physik sein. Für die Größen, welche diese anomalen Kopplungen parametrisieren, wurden Konfidenzintervalle berechnet. Die beobachteten Kopplungen stimmen mit dem Standardmodell überein. / This thesis presents a measurement of W+W- production cross section with the pp collision data collected at the ATLAS detector in the year of 2015. The dataset corresponds to a centre-of-mass collision energy of √s = 13 TeV with a total integrated luminosity of 3.16 fb-1. The W+W- signal events are selected using a signature where one of the W bosons decays into an electron and an electron neutrino while the other produces a muon with an associated muon neutrino. The measured cross section in the chosen fiducial phase space close to detector acceptance is σ (fiducial, W+W-) = 529 ± 20 (stat.) ± 50 (syst.) ± 11 (lumi.) fb. The result within the assigned uncertainties is compatible with the best available Standard Model prediction of 478 ± 17 fb. The observed kinematic spectrums of the produced leptons from the decay of the two W bosons are further investigated to study the triple gauge boson couplings at the WWγ und WWZ vertices. The deviation of these couplings from the Standard Model can probe the existence of new physics. The confidence intervals have been calculated for the parameters representing these anomalous couplings. The observations are consistent with the Standard Model expectations.

Ein fundamentaler Baustein des Standardmodels, des heute am weitesten akzeptierten Models der Elementarteilchenphysik, ist die Selbstkopplung der elektroschwachen Eichbosonen gamma, Z und W. Waehrend andere Vorhersagen des Standardmodels mit hoher Praezision getestet wurden, ist ueber die Staerke der Selbstkopplung der Bosonen wenig bekannt. Erste indirekte Hinweise ueber solche Kopplungen wurden aus praezisen Messungen der Fermionpaarproduktion auf dem Z-Pol gewonnen. Diese Messungen sind sensitiv auf Strahlungskorrekturen. In dieser Analyse werden zum ersten Mal alle verfuegbaren elektroschwachen Praezisionsdaten, die unter anderen bei LEP 1, am SLAC und am TEVATRON gewonnen wurden, benutzt, um in einer globalen Anpassung die Kopplungsstaerken der elektroschwachen Eichbosonen zu ermitteln. Praezise direkte Messungen der Kopplungsstaerke wurden durch die Erhoehung der Schwerpunktsenergie am LEP-Beschleuniger im Jahre 1996 moeglich, die die Paarproduktion von W-Bosonen, e+e- -> W+W-, erlaubte. Zusaetzlich zu diesem Kanal wurde auch noch die Kopplungsabhaengigkeit des Wirkungsquerschnitts der einfach-resonanten W-Produktion, e+e- -> W e nu, und der Photonproduktion, e+e- -> nu nu gamma, benutzt, um die Selbstkopplung der Bosonen zu bestimmen. Zur Analyse wurden Daten, die einer Gesamtluminositaet von 77 pb^-1 entsprechen und bei Schwerpunktsenergien von 161, 172 und 183 GeV in den Jahren 1996 und 1997 mit dem L3 Detektor aufgezeichnet wurden, benutzt. Die Vorhersagen des Standardmodels sind in guter Uebereinstimmung mit allen Messungen. Insbesondere mit der Messung von g_1^Z konnte zum ersten Mal die Existenz des ZWW Vertex experimentell nachgewiesen werden. Zusaetzlich fordert das Standardmodel die Erhaltung der C- und P-Paritaet am ZWW Vertex. Diese Vorhersage wurde durch die Messung getestet und es wurde gute Uebereinstimmung mit der Standardmodelvorhersage gefunden. Die Messung der Kopplungsstaerken in drei unterschiedlichen Kanaelen entspricht der Messung in unterschiedliche Regionen von Impulsuebertraegen. Die Messungen zeigen keine Abhaengigkeit, so dass sowohl das magnetische Dipolmoment als auch das elektrische Quadrupolmoment des W-Bosons aus den Kopplungen hervorgehen. Diese statischen Eigenschaften des W-Bosons geben Informationen ueber dessen Groesse und geometrische Struktur. So folgt aus der Messung das der Radius der W-Bosons kleiner als 10^-18 m ist. Zusaetzlich zu diesen Informationen ueber das W-Boson, konnte der Parameterbereich einer Erweiterung der Standardmodels durch ein sequentielles Z'-Boson eingeschraenkt werden. Ein Model von Klein das die Vereinigung von Kraeften und Materie beschreibt wurde mit 10 Standardabweichungen ausgeschlossen. Zusammenfassung als PostScript-Datei / The couplings between the bosons of the electroweak interaction, gamma, Z and W, is one of the fundamental building blocks of the Standard Model, which was not yet tested with high precision. Indirect hints for the existence of boson self-coupling have been obtained by analysing Z pole data with respect to radiative corrections. This analysis uses for the first time all available electroweak precision data obtained at LEP 1, SLC, TEVATRON and at low energy experiments. The coupling strength between the electroweak gauge bosons is obtained by a global fit to all these data. A precise direct measurement of triple gauge boson couplings became possible in 1996 at LEP 2, where W bosons could be produced in pairs, e+e- -> W+W-. In addition single-resonant W production, e+e- -> W e nu, and single photon production, e+e- -> nu nu gamma, are evaluated with respect to boson self-couplings. In total a luminosity of 77 pb^-1 was collected with the L3 detector at 161, 172 and 183 GeV centre-of-mass energy in the years 1996 and 1997. The Standard Model expectations show good agreement with this measurement. The measurement is the first proof of the existence of a ZWW vertex. The LEP 2 data were further used to limit violation of parity and C-parity at the ZWW vertex. The results of the measurement for the three different channels, corresponding to three different regions of momentum transfer showed no dependence. Thus the magnetic dipole moment and electric quadrupole moment are derived. These two static properties of the W give information on the size and the geometrical form of the W, such that the W radius could be limited to 10^-18 m. In addition the coupling constants were used to limit the phase space of the extension of the Standard Model with a sequential Z' boson in terms of mixing angle and Z' mass. The unified matter theory by Klein is ruled out with more than ten standard deviations. abstract in PostScript

Diese Arbeit beschreibt die Messung der Wirkungsquerschnitte fuer die Reaktion e+e- -> W+W- -> qqqq und die Bestimmung der W-Masse mit dem L3-Detektor am LEP. In einem Datensample gesammelt bei den Schwerpunktsenergien zwischen 183 GeV und 189 GeV, das einer Gesamtluminositaet von 232 1/pb entspricht, sind 1957 Vier-Fermion-Ereignisse mit hadronischen Jetpaaren selektiert worden. Auf diese Ereignisse basierend wurden die Wirkungsquerschnitte fuer die Reaktion e+e- -> W+W- -> qqqq gemessen, jeweils 7.94 +/- 0.45 (stat) +/- 0.21 (syst) pb und 7.53 +/- 0.25 (stat) +/- 0.17 (syst) pb entsprechend 183 GeV und 189 GeV. Unter der Benutzung der selektierten Ereignisse der anderen Endzustaende der Reaktion e+e- -> W+W- und der Kombination aller Endzustaende wurden die Gesamtwirkungsquerschnitte und hadronische Verzweigungsverhaeltnisse (Br) des W-Zerfalls gemessen: WW-Wirkungsquerschnitt (183 GeV) = 16.10 +/- 0.66 (stat) +/- 0.26 (syst) pb, WW-Wirkungsquerschnitt (189 GeV) = 16.36 +/- 0.37 (stat) +/- 0.22 (syst) pb, Br(W -> qq) = 68.36 +/- 0.69 (stat) +/- 0.33 (syst) %, wobei die Lepton-Universalitaet angenommen ist. Die Ergebnisse sind konsistent mit der Standardmodelerwartung. Das gemessene hadronisches Verzweigungsverhaeltnis erlaubt eine Bestimmung des CKM-Matrixelement |V_cs| = 1.035 +/- 0.032 (stat) +/- 0.016 (syst). Die Masse des W-Bosons ist bei der direkten Rekonstruktion des W-Zerfalls in W+W- -> qqqq und W+W- -> qqln Ereignisse bestimmt worden. Das kombinierte Ergebnis von allen Endzustaenden ist M_W = 80.325 +/- 0.081 (stat) +/- 0.060 (syst) GeV. Eine Teilung der Daten in positiv und negativ geladene W-Bosonen ergibt M_W+ - M_W- = +0.28 +/- 0.42 GeV, wobei nur qqen-, qqmn- und qqqq-Ereignisse benutzt wurden. Dieses Ergebnis ist konsistent mit der CPT-Erhaltung. In 1999, W-Paarereignisse wurden zwischen 192 GeV- und 202 GeV- Schwerpunktsenergien produziert. Diese Daten entsprechen eine integrierte Luminositaet von 234 1/pb. Die hadronische Wirkungsquerschnitte wurden gemessen, und die vorlaeufigen Ergebnisse sind berichtet. Alle Endzustaende der W-Paar-Produktion und alle selektierten Ereignisse zwischen den Schwerpunktsenergien von 183 GeV and 202 GeV wurden kombiniert, und die Masse des W-Bosons ist gemessen. Das vorlaeufigen Ergebnis ist M_W = 80.312 +/- 0.060 (stat) +/- 0.058 (syst) GeV. / This thesis describes a measurement of the cross section for the process e+e- -> W+W- -> qqqq and the determination of the W mass with the L3 detector at LEP. In a data sample corresponding to a total luminosity of 232 1/pb collected at center-of-mass energy between 183 GeV and 189 GeV, 1957 four-fermion events with pairs of hadronic jets are selected. Based on these events, the cross sections for the doubly resonant process e+e- -> W+W- -> qqqq have been measured to be 7.94 +/- 0.45 (stat) +/- 0.21 (syst) pb and 7.53 +/- 0.25 (stat) +/- 0.17 (syst) pb at 183 GeV and 189 GeV respectively. Using the selected events of the other final states of the process e+e- -> W+W- and combining all the final states, the total cross sections and the hadronic branching fraction of the W decays are measured: WW cross section (183 GeV) = 16.10 +/- 0.66 (stat) +/- 0.26 (syst) pb, WW cross section (189 GeV) = 16.36 +/- 0.37 (stat) +/- 0.22 (syst) pb, Br(W -> qq) = 68.36 +/- 0.69 (stat) +/- 0.33 (syst) %, where the lepton universality is assumed. These results are consistent with Standard Model expectations. The measured hadronic branching fraction allows a determination of the CKM matrix element |V_cs| = 1.035 +/- 0.032 (stat) +/- 0.016 (syst). The mass of the W boson is determined by the direct reconstruction of the W decays in W+W- -> qqqq and W+W- -> qqln events. The combined result from all final states is M_W = 80.325 +/- 0.081 (stat) +/- 0.060 (syst) GeV. A division of the data into positively and negatively charged W bosons yields M_W+ - M_W- = +0.28 +/- 0.42 GeV, where only qqen, qqmn and qqqq events have been used. This result is consistent with CPT invariance. In 1999, W-pair events were produced between 192 GeV and 202 GeV center-of-mass energy. These data correspond to an integrated luminosity of 234 1/pb. The hadronic cross sections are measured, and the preliminary results are reported. Combining all final states in W-pair production and all the selected events between 183 GeV and 202 GeV center-of-mass energy, the mass of the W boson is measured. The preliminary result obtained is M_W = 80.312 +/- 0.060 (stat) +/- 0.058 (syst) GeV.

Uncertainties on the parton distribution functions (PDFs), in particular those of the valence quarks, can be constrained at LHC energies using the charge asymmetry in the production of W^± bosons. This thesis presents a measurement of the electron channel, lepton charge asymmetry using 497 pb^-1 of data recorded with the ATLAS detector in 2011. The measurement is included in PDF fits using the machinery of HERAPDF and is found to have some constraining power beyond that of existing W charge asymmetry measurements.

Le LHC est un collisionneur de protons, situé 100 mètres sous la frontière franco-suisse, conçu pour fonctionner à sqrt(s) = 14 TeV. Les premières collisions à sqrt(s) = 7 TeV ont eu lieu au début de l'année 2010, ouvrant la chasse aux nouvelles particules telles le boson de Higgs, les partenaires supersymétriques... Ces premières données ont permis aussi de faire des mesures de précisions afin de vérifier le fonctionnement du détecteur et de contraindre certains paramètre du Modèle Standard. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse. Le travail présenté dans ce manuscrit s'articule en deux parties distinctes dont le but est de contraindre d'éventuels biais et sources d'erreurs systématiques pour permettre une première mesure précise de la masse du boson W au LHC. D'un point de vue technique, une analyse consistant à étudier les variations de température de l'argon liquide, dans lequel sont immergés les calorimètres a été menée afin de comprendre leur origine et de limiter leur contribution à l'incertitude sur l'échelle d'énergie des électrons. D'autre part, le travail a été focalisé sur les effets de polarisation, en développant et proposant trois mesures originales : la quantification de leur influence sur la détermination directe de MW au LHC, les mesures de fractions d'hélicité dans les données 2010 et une mesure de l'asymétrie de charge permettant de découpler les effets de PDFs des effets de polarisation, appliquée aux données 2010. / The LHC is a proton collider, buried 100 meters below the franco-swiss border, built to work at sqrt(s) = 14 TeV. First collisions at sqrt(s) = 7 TeV occurred in the beginning of 2010, starting officially new particles hunting, like Higgs boson, supersymmetric partner... First data have also been used to do precision measurements in order to check detector performances and constrain many Standard Model parameters. The latter will be the main topic of this thesis.The work presented within this manuscript can be split in two different parts aiming to a common goal: reduce possible bias and systematic errors to provide a first precise W boson mass measurement at the LHC. On a technical aspect, an analysis has been done on the liquid argon that lies within calorimeter's cryostat, in order to understand temperature fluctuation and quantify its effect on the electron energy scale. On the other hand, attention has been focused on polarization effects, by developping and proposing three new measurements: quantification of their influence on MW measurement at the LHC, helicity fractions measurement in 2010 data and a charge asymmetry measurement that decouples PDF and polarization effects, on 2010 data.

Dans cette thèse la mesure du rapport des sections efficaces de production de bosons W et Z en association avec un jet au LHC est effectuée.Le rapport des sections efficaces est mesuré à l'aide des données issues de collisions proton-proton au LHC à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV, recueillies par l'expérience ATLAS en 2010, correspondant à une luminosité intégrée d'environ 40 pb-1. L'analyse est effectuée à l’aide de bosons W et Z se désintégrant dans le canal muon.Il s'agit de la première mesure du rapport des taux de production de bosons W et Z associés à un jet réalisée à une si haute énergie dans le centre de masse, la mesure est la également la première effectuée au LHC. Cette mesure constitue un test très important des calculs théoriques perturbatifs et tire avantage des annulations partielles ou totales de diverses incertitudes expérimentales.La mesure sert aussi pour les recherches de nouveaux phénomènes de physique au LHC à contraindre les bruits de fonds ayant les mêmes signatures topologiques.La valeur du rapport de mesuré est présentée en fonction de différents seuils d’impulsion transverse de jet cumulatifs et est trouvé, a l’intérieur de la précision statistique, en bon accord avec prédictions pertubatives de QCD aux LO et NLO. / In this thesis an investigation of the ratio of the production cross section of W and Z bosons in association with one jet at LHC is performed.The cross-section ratio is measured with LHC proton-proton collision data at a center-of-mass energy of 7 TeV, collected by the ATLAS experiment in 2010, corresponding to an integrated luminosity of approximately 40 pb-1. The analysis is performed selecting W and Z bosons decaying in the muon channel.It is the first time the ratio of W and Z bosons production associated with one jet is measured at such a high center-of-mass energy, the measurement is the first one at the LHC. This measurement constitutes a very important test of perturbative theoretical calculations based on the advantage of the partial and full cancellations of various uncertainties.It also serves as constraining backgrounds with similar topological signatures in the search for new physics phenomena at the LHC. The measured ratio value is presented as a function of cumulative jet transverse momentum thresholds and found, within statistical precision, to agree well with perturbative LO and NLO QCD predictions.

Dans ce document, je présente mes contributions à une première mesure de la masse du boson W au LHC, exploitant 4.7 fb⁻¹ de données à 7 TeV, collectées en 2011. Je me concentre surtout sur le canal électronique, W → eν. Dans la première partie, j’aborde des études de performance du calorimètre électromagnétique d’ATLAS, proposant une méthode innovante de correction des profils latéraux de dépôt d'énergie des électrons. Des études de différentes versions de Geant4 sont également abordées. Dans la deuxième partie, je détaille mes contributions après avoir introduit la méthode globale de mesure de la masse du boson W adoptée par ATLAS : je présente dans un premier temps le calcul d’incertitudes systématiques introduites par la modélisation des gerbes de partons dans Pythia8, et une optimisation de l’intervalle d’ajustement en utilisant l’impulsion transverse du lepton, dans le but de réduire les incertitudes correspondantes. Dans un deuxième temps, je présente une estimation de bruit de fond provenant de jets de partons, dans le canal W → eν, en développant une méthode basée sur les données, ainsi que les résultats correspondants, en termes de nombre d’événements et de fractions par rapport aux données. Les incertitudes sur la masse du W provenant de cette méthode sont aussi détaillées. Enfin, un état de l’art de l’analyse est montré, en détaillant les incertitudes dans le canal électronique, en fonction de la pseudo-rapidité et du bruit d’empilement. / In this document, I present my contributions to a first measurement of the W-mass in the LHC using 4.7 fb⁻¹ of 7 TeV data, taken in 2011. I focus on the electron decay channel, W → eν. In the first part, I discuss a study regarding the performance of the electromagnetic calorimeter of the ATLAS detector, presenting a novel method to correct the lateral profiles of electron energy deposit, along with various studies of the different Geant4 physics lists versions. In the second part, I introduce the global methodology for the W-mass measurement used in ATLAS, and discuss my contributions in details. I show in a first step the assessment of uncertainties coming from the parton shower modeling in Pythia8, and the optimization of the lepton's transverse momentum fitting range in order to reduce the systematic uncertainty. In a second step, I present an elaborate data-driven method for the estimation of the multijet background in the W → eν channel, as well as the corresponding results in terms of event yields and fractions with respect to the signal data. The corresponding uncertainties on the W-mass are also shown. Finally, I show the state of the art of the analysis, by gathering the full breakdown of the uncertainties, in bins of pseudorapidity and average pileup.

Eine Messung der W-Boson Polarisation in Topquark-Zerfaellen wird vorgestellt. Es wurden Topquarks untersucht, welche in Proton-Proton Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt{s} = 7 TeV am LHC erzeugt wurden. Der Datensatz basiert auf einer integrierten Luminositaet von 4.7 fb-1 und wurde mit dem ATLAS-Detektor gesammelt. Die Messung wurde im Lepton+Jets Kanal durchgefuehrt, welcher durch ein isoliertes Elektron oder Myon, fehlende transversale Energie und mindestens vier Jets charakterisiert wird. Einer der Jets muss als b-Jet identifiziert sein. Zum Studium der W-Boson Polarisation wurde die Winkelverteilung des geladenen Leptons im Ruhesystem des W-Bosons verwendet. Das Ereignis wurde vollstaendig mit Hilfe eines kinematischen Likelihood-Fits rekonstruiert. Die Anteile der linkshaendigen, rechtshaendigen und longitudinal polarisierten W-Bosonen wurden durch einen gebinnten Likelihood-Fit an die Datenverteilung bestimmt. Ein kombinierter Likelihood-Fit wird durchgefuehrt, um die W-Helizitaetsanteile fuer den Lepton+Jets Kanal zu bestimmen.

Heidelberg, Univ., Diplomarbeit, 1999.

Universiẗat, Diss., 2003--Wuppertal.