Universiẗat, Diss., 2000--Kaiserslautern.

University, Diss., 2001--Bonn.

The measurement of the mass of the $W$ boson is currently one of the most promising precision analyses of the Standard Model, that could ultimately reveal a hint for new physics. The mass of the $W$ boson is determined by comparing the $W$ boson, which cannot be reconstructed directly, to the $Z$ boson, where the full decay signature is available. With the help of Monte Carlo simulations one can extrapolate from the $Z$ boson to the $W$ boson. Technically speaking, the measurement of the $W$ boson mass is performed by comparing data taken by the ATLAS experiment to a set of calibrated Monte Carlo simulations, which reflect different mass hypotheses.\ A dedicated calibration of the reconstructed objects in the simulations is crucial for a high precision of the measured value. The comparison of simulated $Z$ boson events to reconstructed $Z$ boson candidates in data allows to derive event weights and scale factors for the calibration. This thesis presents a new approach to reweight the hadronic recoil in the simulations. The focus of the calibration is on the average hadronic activity visible in the mean of the scalar sum of the hadronic recoil $\Sigma E_T$ as a function of pileup. In contrast to the standard method, which directly reweights the scalar sum, the dependency to the transverse boson momentum is less strongly affected here. The $\Sigma E_T$ distribution is modeled first by means of its pileup dependency. Then, the remaining differences in the resolution of the vector sum of the hadronic recoil are scaled. This is done separately for the parallel and the pterpendicular component of the hadronic recoil with respect to the reconstructed boson. This calibration was developed for the dataset taken by the ATLAS experiment at a center of mass energy of $8\,\textrm{TeV}$ in 2012. In addition, the same reweighting procedure is applied to the recent dataset with a low pileup contribution, the \textit{lowMu} runs at $5\,\textrm{TeV}$ and at $13\,\textrm{TeV}$, taken by ATLAS in November 2017. The dedicated aspects of the reweighting procedure are presented in this thesis. It can be shown that this reweighting approach improves the agreement between data and the simulations effectively for all datasets. The uncertainties of this reweighting approach as well as the statistical errors are evaluated for a $W$ mass measurement by a template fit to pseudodata for the \textit{lowMu} dataset. A first estimate of these uncertainties is given here. For the pfoEM algorithm a statistical uncertainty of $17\,\text{MeV}$ for the $5\,\textrm{TeV}$ dataset and of $18\,\text{MeV}$ for the $13\,\textrm{TeV}$ are found for the $W \rightarrow \mu \nu$ analysis. The systematic uncertainty introduced by the resolution scaling has the largest effect, a value of $15\,\text{MeV}$ is estimated for the $13\,\textrm{TeV}$ dataset in the muon channel. / Die Messung der Masse des $W$-Bosons ist im Augenblick eine der vielversprechendsten Präzisionsanalysen des Standard Modells, welche letztendlich einen Hinweis auf neue Physik geben kann. Die Masse des $W$ Bosons wird bestimmt, indem das $W$-Boson, welches nicht direkt rekonstruiert werden kann, mit dem $Z$-Boson verglichen wird, bei dem die vollständige Zerfallssignatur verfügbar ist. Mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen kann vom $Z$-Boson auf das $W$-Boson extrapoliert werden. Genau genommen wird die Messung der Masse des $W$-Bosons durchgeführt, indem die Daten, die mit dem ATLAS Experiment aufgenommen wurden, mit einem Satz von kalibrierten Monte Carlo Simulationen verglichen wird. Die Simulationen spiegeln dabei verschiedene Massenhypothesen wider. Eine dezidierte Kalibrierung der rekonstruierten Objekte in den Simulationen ist entscheidend für eine hohe Präzision des gemessenen Werts der Masse des $W$-Bosons. Aus dem Vergleich von simulierten $Z$-Boson Ereignissen und $Z$-Bosonen, die aus den Daten rekonstruiert werden, können Ereignisgewichte und Skalierungsfaktoren für die Kalibrierung erzeugt werden. %Für die Kalibrierung werden Ereignisgewichte und Skalierungsfaktoren erzeugt, indem Simulationen von $Z$ Boson Ereignissen mit $Z$ Bosonen verglichen werden, welche aus den Daten rekonstruiert werden. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz für die Umgewichtung des hadronischen Rückstoßes in den Simulationen vorgestellt. Der Fokus der Kalibrierung liegt auf der mittleren hadronischen Aktivität, die in der mittleren skalaren Summe des hadronischen Rückstoßes $\Sigma E_T$ als Funktion des Pileups sichtbar ist. Im Gegensatz zur Standardmethode, welche die Skalarsumme direkt umgewichtet, wird hierbei die Abhängigkeit zum transversalen Impuls des Bosons weniger stark beeinflusst. Die $\Sigma E_T$-Verteilung wird zunächst mittels ihrer Abhängigkeit zum Pileup modelliert. Danach werden die verbleibenden Unterschiede in der Auflösung der vektoriellen Summe des hadronischen Rückstoßes skaliert. Dies geschieht separat für die parallele und senkrechte Komponente des hadronischen Rückstoßes, welche in Bezug auf die Richtung des rekonstruierten Bosons gemessen werden. Die Kalibrierung wurde zunächst für den Datensatz entwickelt, der im Jahr 2012 bei einer Schwerpunktsenergie von $8\,\textrm{TeV}$ mit dem ATLAS Experiment aufgenommen wurde. Zusätzlich wird die Umgewichtungsmethodik auf die neuen Datensätze angewendet, welche von ATLAS im November 2017 bei niedrigem Pileup aufgenommen wurden, den \textit{lowMu} Datensätzen bei Schwerpunktsenergien von $5\,\textrm{TeV}$ und $13\,\textrm{TeV}$. In dieser Arbeit werden die verschiedenen Aspekte der Kalibrierung präsentiert. Es kann gezeigt werden, dass diese Herangehensweise für die Umgewichtung des hadronischen Rückstoßes zu einer effektiven Verbesserung der Übereinstimmung zwischen Daten und Simulationen in allen verwendeten Datensätzen führt. Die zugehörigen Unsicherheiten dieser Kalibrierungsmethode sowie die statistischen Fehler für eine Messung der Masse des $W$-Bosons werden anhand der Template-Fit-Methode mit Pseudodaten für die \textit{lowMu} Datensätze ausgewertet. Es wird eine erste Abschätzung dieser Unsicherheiten gegeben. Für den pfoEM Algorithmus wird ein statistischer Fehler von $17\,\text{MeV}$ für den $5\,\textrm{TeV}$ Datensatz und von $18\,\text{MeV}$ für den $13\,\textrm{TeV}$ Datensatz in der $W \rightarrow \mu \nu$ Analyse ermittelt. Die systematische Unsicherheit, welche durch die Auflösungsskalierung erzeugt wird, hat den größten Effekt. Für den $13\,\textrm{TeV}$ Datensatz wird ein Fehler von $15\,\text{MeV}$ im Myonkanal abgeschätzt.

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Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Darmstadt.

The scattering of electroweak gauge bosons is closely connected to the electroweak gauge symmetry and its spontaneous breaking through the Brout-Englert-Higgs mechanism. Since it contains triple and quartic gauge boson vertices, the measurement of this scattering process allows to probe the self-interactions of weak bosons. The contribution of the Higgs boson to the weak boson scattering amplitude ensures unitarity of the scattering matrix. Therefore, the scattering of massive electroweak gauge bosons is sensitive to deviations from the Standard Model prescription of the electroweak interaction and of the properties of the Higgs boson. At the Large Hadron Collider (LHC), the scattering of massive electroweak gauge bosons is accessible through the measurement of purely electroweak production of two jets and two gauge bosons. No such process has been observed before. Being the channel with the least amount of background from QCD-mediated production of the same final state, the most promising channel for the first measurement of a process containing massive electroweak gauge boson scattering is the one with two like-charge W bosons and two jets in the final state. This thesis presents the first measurement of electroweak production of two jets and two identically charged W bosons, which yields the first observation of a process with contributions from quartic gauge interactions of massive electroweak gauge bosons. An overview of the most important issues in Monte Carlo simulation of vector boson scattering processes with current Monte Carlo generators is given in this work. The measurement of the final state of two jets and two leptonically decaying same-charge W bosons is conducted based on proton-proton collision data with a center-of-mass energy of √s = 8 TeV, taken in 2012 with the ATLAS experiment at the LHC. The cross section of electroweak production of two jets and two like-charge W bosons is measured with a significance of 3.6 standard deviations to be σ(W± W±jj−EW[fiducial]) = 1.3 ± 0.4(stat.) ± 0.2(syst.) fb in a fiducial phase space region selected to enhance the contribution from W W scattering. The measurement is compatible with the Standard Model prediction of σ(W±W± jj−EW[fiducial]) = 0.95 ± 0.06 fb. Based on this measurement, limits on anomalous quartic gauge couplings are derived. The effect of anomalous quartic gauge couplings is simulated within the framework of an effective chiral Lagrangian unitarized with the K-matrix method. The limits for the anomalous coupling parameters α4 and α5 are found to be −0.14 < α4 < 0.16 and −0.23 < α5 < 0.24 at 95 % confidence level. Furthermore, the prospects for the measurement of the electroweak production of two same-charge W bosons and two jets within the Standard Model and with additional doubly charged resonances after the upgrade of the ATLAS detector and the LHC are investigated. For a high-luminosity LHC with a center-of-mass energy of √s = 14 TeV, the significance of the measurement with an integrated luminosity of 3000 fb^−1 is estimated to be 18.7 standard deviations. It can be improved by 30 % by extending the inner tracking detector of the atlas experiment up to an absolute pseudorapidity of |η| = 4.0.

There are experimental and theoretical indications that the Standard Model of particle physics, although tremendously successful, is not sufficient to describe the universe, even at energies well below the Planck scale. One of the most promising new theories to resolve major open questions, the Minimal Supersymmetric Standard Model, predicts additional neutral and charged Higgs bosons, among other new particles. For the search of the new heavy neutral bosons, the decay into two hadronically decaying tau leptons is especially interesting, as in large parts of the search parameter space it has the second largest branching ratio while allowing for a considerably better background rejection than the leading decay into b-quark pairs. This search, based on proton-proton collisions recorded at sqrt(s) = 13 TeV in 2015 and early 2016 by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider at CERN, is presented in this thesis. No significant deviation from the Standard Model expectation is observed and CLs exclusion limits are determined, both model-independent and in various MSSM benchmark scenarios. The MSSM exclusion limits are significantly stronger compared to previous searches, due to the increased collision energy and improvements of the event selection and background estimation techniques. The upper limit on tan beta at 95% confidence level in the mhmod+ MSSM benchmark scenario ranges from 10 at mA = 300 GeV to 48 at mA = 1.2 TeV.

Die Suche nach dem Higgs Boson ist ein zentraler Forschungsschwerpunkt der modernen Teilchenphysik. Zum einen ist das Higgs Boson das einzige bislang unentdeckte Teilchen des Standard Modells. Zum anderen gibt seine mögliche Entdeckung eine bessere Einsicht in die Natur neuer Physik. Mit der Inbetriebnahme des Large Hadron Colliders, LHC, am europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf konnten Proton-Proton Kollisionen mit bislang unerreichten Schwerpunktsenergien von √s = 7 TeV beziehungsweise √s = 8 TeV erzielt werden. In der vorliegenden Arbeit wird die Messung des Wechselwirkungsquerschnitts pp→Z/γ→τ⁺τ⁻ im gemischten leptonischen Endzustand mit Daten des ATLAS Detektors durchgeführt. Der Zerfall der kohärenten Summe aus Photon, γ, und Z Boson in zwei τ -Leptonen ist ein irreduzibler Untergrund von Higgs Boson Zerfällen in zwei τ -Leptonen. Eine genaue Kenntniss des Massenspektrums sowie dessen Normierung ist deswegen für die Higgs Boson Suche essentiell. Die verwendeten Daten entsprechen einer integrierten Luminosität von L = 35,51 pb⁻¹ bei einer Schwerpunktsenergie von √s = 7 TeV. Die Messung erzielt einen Wechselwirkungsquerschnitt von σ×BR(Z→ττ ) = (1041 ± 143 ± 74 ± 35) pb. Die angegebenen Unsicherheiten entsprechen den statistischen, den systematischen und den Unsicherheiten aus Luminositätsmessungen. Das Ergebnis stimmt mit dem theoretisch bestimmten Wert sowie dem Ergebnis anderer Experimente innerhalb seiner Unsicherheiten überein. Im zweiten Teil der Arbeit werden verschiedene Massenrekonstruktionsmethoden von Zerfällen in zwei τ-Leptonen untersucht. Die Analyse konzentriert sich dabei auf Higgs Bosonen, der minimalen supersymmetrischen Erweiterung des Standard Modells; insbesondere auf deren Zerfall in zwei τ-Leptonen und weiter in den gemischten leptonischen Endzustand, Φ→τ⁺τ⁻→eμ+4υ. Die untersuchten Massenrekonstruktionsmethoden sind die sichtbare Masse, die effektive Masse, sowie die früh- und spät-projizierte transversale Masse. Weiterhin werden Abhängigkeiten der Massenverteilungen vom transversalen Impuls der Leptonen des Endzustandes, sowie der fehlenden transversalen Energie festgestellt. Eine Abhängigkeit vom transversalen Impuls des energiereichsten Jets hingegen konnte nicht nachgewiesen werden. Eine mögliche Eliminierung der Variablenabhängigkeiten wird untersucht, zeigt jedoch dass sie zu einer schlechteren Trennung zwischen Signal und Untergrundprozessen sowie einer schlechteren Auflösung unterschiedlicher Higgs Boson Massen führt. Mit der Kalibrierung der berechneten Massen der verschiedenen Rekonstruktionstechniken wird die Arbeit abgeschlossen.

The search for additional heavy neutral Higgs bosons predicted in Minimal Supersymmetric Extensions of the Standard Model is presented, using the direct decay channel into two tau leptons which themselves decay hadronically. The study is based on proton-proton collisions recorded in 2011 at a center-of-mass energy of 7 TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at CERN. With a sample size corresponding to an integrated luminosity of 4.5 fb−1, no significant excess above the expected Standard Model background prediction is observed and CLs exclusion limits at a 95% confidence level are evaluated for values of the CP-odd Higgs boson mass mA between 140 GeV to 800 GeV within the context of the mhmax and mhmod± benchmark scenarios. The results are combined with searches for neutral Higgs bosons performed using proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 8 TeV recorded with the ATLAS detector in 2012, with a corresponding integrated luminosity of 19.5 fb−1. The combination allowed an improvement of the exclusion limit at the order of 1 to 3 units in tan β. Within the context of this study, the structure of additional interactions during a single proton-proton collision (the “underlying event”) in di-jet final states is analyzed using collision data at a center-of-mass energy of 7 TeV recorded with the ATLAS detector in 2010, with a corresponding integrated luminosity of 37 pb−1. The contribution of the underlying event is measured up to an energy scale of 800 GeV and compared to the predictions of various models. For several models, significant deviations compared to the measurements are found and the results are provided for the optimization of simulation algorithms.

Die Suche nach dem Higgs Boson ist ein zentraler Forschungsschwerpunkt der modernen Teilchenphysik. Zum einen ist das Higgs Boson das einzige bislang unentdeckte Teilchen des Standard Modells. Zum anderen gibt seine mögliche Entdeckung eine bessere Einsicht in die Natur neuer Physik. Mit der Inbetriebnahme des Large Hadron Colliders, LHC, am europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf konnten Proton-Proton Kollisionen mit bislang unerreichten Schwerpunktsenergien von √s = 7 TeV beziehungsweise √s = 8 TeV erzielt werden. In der vorliegenden Arbeit wird die Messung des Wechselwirkungsquerschnitts pp→Z/γ→τ⁺τ⁻ im gemischten leptonischen Endzustand mit Daten des ATLAS Detektors durchgeführt. Der Zerfall der kohärenten Summe aus Photon, γ, und Z Boson in zwei τ -Leptonen ist ein irreduzibler Untergrund von Higgs Boson Zerfällen in zwei τ -Leptonen. Eine genaue Kenntniss des Massenspektrums sowie dessen Normierung ist deswegen für die Higgs Boson Suche essentiell. Die verwendeten Daten entsprechen einer integrierten Luminosität von L = 35,51 pb⁻¹ bei einer Schwerpunktsenergie von √s = 7 TeV. Die Messung erzielt einen Wechselwirkungsquerschnitt von σ×BR(Z→ττ ) = (1041 ± 143 ± 74 ± 35) pb. Die angegebenen Unsicherheiten entsprechen den statistischen, den systematischen und den Unsicherheiten aus Luminositätsmessungen. Das Ergebnis stimmt mit dem theoretisch bestimmten Wert sowie dem Ergebnis anderer Experimente innerhalb seiner Unsicherheiten überein. Im zweiten Teil der Arbeit werden verschiedene Massenrekonstruktionsmethoden von Zerfällen in zwei τ-Leptonen untersucht. Die Analyse konzentriert sich dabei auf Higgs Bosonen, der minimalen supersymmetrischen Erweiterung des Standard Modells; insbesondere auf deren Zerfall in zwei τ-Leptonen und weiter in den gemischten leptonischen Endzustand, Φ→τ⁺τ⁻→eμ+4υ. Die untersuchten Massenrekonstruktionsmethoden sind die sichtbare Masse, die effektive Masse, sowie die früh- und spät-projizierte transversale Masse. Weiterhin werden Abhängigkeiten der Massenverteilungen vom transversalen Impuls der Leptonen des Endzustandes, sowie der fehlenden transversalen Energie festgestellt. Eine Abhängigkeit vom transversalen Impuls des energiereichsten Jets hingegen konnte nicht nachgewiesen werden. Eine mögliche Eliminierung der Variablenabhängigkeiten wird untersucht, zeigt jedoch dass sie zu einer schlechteren Trennung zwischen Signal und Untergrundprozessen sowie einer schlechteren Auflösung unterschiedlicher Higgs Boson Massen führt. Mit der Kalibrierung der berechneten Massen der verschiedenen Rekonstruktionstechniken wird die Arbeit abgeschlossen.