Die Suche nach dem Higgs-Boson des Standardmodells der Teilchenphysik stellte einen der Hauptgründe für den Bau des Large Hadron Colliders (LHC) dar, dem derzeit größten Teilchenphysik-Experiment der Welt. Die vorliegende Arbeit ist gleichfalls von dieser Suche getrieben. Der direkte Zerfall des Higgs-Bosons in Myonen wird untersucht. Dieser Kanal hat mehrere Vorteile. Zum einen ist der Endzustand, bestehend aus zwei Myonen unterschiedlicher Ladung, leicht nachzuweisen und besitzt eine klare Signatur. Weiterhin ist die Massenauflösung hervorragend, sodass eine gegebenenfalls vorhandene Resonanz gleich in ihrer grundlegenden Eigenschaft - ihrer Masse - bestimmt werden kann. Leider ist der Zerfall des Higgs-Bosons in ein Paar von Myonen sehr selten. Lediglich etwa 2 von 10000 erzeugten Higgs-Bosonen zeigen diesen Endzustand . Außerdem existiert mit dem Standardmodellprozess Z/γ∗ → μμ ein Zerfall mit einer sehr ähnlichen Signatur, jedoch um Größenordnungen höherer Eintrittswahrscheinlichkeit. Auf ein entstandenes Higgs-Boson kommen so etwa 1,5 Millionen Z-Bosonen, welche am LHC bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV produziert werden. In dieser Arbeit werden zwei eng miteinander verwandte Analysen präsentiert. Zum einen handelt es sich hierbei um die Untersuchung des Datensatzes von Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV, aufgezeichnet vom ATLAS-Detektor im Jahre 2012, auch als alleinstehende Analyse bezeichnet. Zum anderen erfolgt die Präsentation der kombinierten Analyse des kompletten Run-I Datensatzes, welcher aus Aufzeichnungen von Proton-Proton-Kollisionen der Jahre 2011 und 2012 bei Schwerpunktsenergien von 7 TeV bzw. 8 TeV besteht. In beiden Fällen wird die Verteilung der invarianten Myon-Myon-Masse nach einer schmalen Resonanzsignatur auf der kontinuierlichen Untergrundverteilung hin untersucht. Dabei dient die theoretisch erwartete Massenverteilung sowie die Massenauflösung des ATLAS-Detektors als Grundlage, um analytische Parametrisierungen der Signal- und Untergrundverteilungen zu entwickeln. Auf diese Art wird der Einfluss systematischer Unsicherheiten auf Grund von ungenauer Beschreibung der Spektren in Monte-Carlo Simulationen verringert. Verbleibende systematische Unsicherheiten auf die Signalakzeptanz werden auf eine neuartige Weise bestimmt. Zusätzlich wird ein bisher einzigartiger Ansatz verfolgt, um die systematische Unsicherheit resultierend aus der Wahl der Untergrundparametrisierung in der kombinierten Analyse verfolgt. Zum ersten Mal wird dabei die Methode des scheinbaren Signals auf einem simulierten Untergrunddatensatz auf Generator-Niveau angewendet, was eine Bestimmung des Einflusses des Untergrundmodells auf die Anzahl der ermittelten Signalereignisse mit nie dagewesener Präzision ermöglicht. In keiner der durchgeführten Analysen konnte ein signifikanter Überschuss im invarianten Massenspektrum des Myon-Myon-Systems nachgewiesen werden, sodass obere Ausschlussgrenzen auf die Signalstärke μ = σ/σ(SM) in Abhängigkeit von der Higgs-Boson-Masse gesetzt werden. Dabei sind Stärken von μ ≥ 10,13 bzw. μ ≥ 7,05 mit einem Konfidenzniveau von 95% durch die alleinstehende bzw. kombinierte Analyse ausgeschlossen, jeweils für eine Higgs-Boson-Masse von 125,5 GeV. Die erzielten Ergebnisse werden ebenfalls im Hinblick auf die kürzlich erfolgte Entdeckung des neuen Teilchens interpretiert, dessen Eigenschaften mit den Vorhersagen eines Standardmodell-Higgs-Bosons mit einer Masse von etwa 125,5 GeV kompatibel sind. Dabei werden obere Grenzen auf das Verzweigungsverhältnis von BR(H → μμ) ≤ 1,3 × 10^−3 und auf die Yukawa-Kopplung des Myons von λμ ≤ 1,6 × 10^−3 gesetzt, jeweils mit einem Konfidenzniveau von 95%. / The search for the Standard Model Higgs boson was one of the key motivations to build the world’s largest particle physics experiment to date, the Large Hadron Collider (LHC). This thesis is equally driven by this search, and it investigates the direct muonic decay of the Higgs boson. The decay into muons has several advantages: it provides a very clear final state with two muons of opposite charge, which can easily be detected. In addition, the muonic final state has an excellent mass resolution, such that an observed resonance can be pinned down in one of its key properties: its mass. Unfortunately, the decay of a Standard Model Higgs boson into a pair of muons is very rare, only two out of 10000 Higgs bosons are predicted to exhibit this decay. On top of that, the non-resonant Standard Model background arising from the Z/γ∗ → μμ process has a very similar signature, while possessing a much higher cross-section. For one produced Higgs boson, there are approximately 1.5 million Z bosons produced at the LHC for a centre-of-mass energy of 8 TeV. Two related analyses are presented in this thesis: the investigation of 20.7 fb^−1 of the proton-proton collision dataset recorded by the ATLAS detector in 2012, referred to as standalone analysis, and the combined analysis as the search in the full run-I dataset consisting of proton-proton collision data recorded in 2011 and 2012, which corresponds to an integrated luminosity of L = 24.8 fb^−1 . In each case, the dimuon invariant mass spectrum is examined for a narrow resonance on top of the continuous background distribution. The dimuon phenomenology and ATLAS detector performance serve as the foundations to develop analytical models describing the spectra. Using these analytical parametrisations for the signal and background mass distributions, the sensitivity of the analyses to systematic uncertainties due to Monte-Carlo simulation mismodeling are minimised. These residual systematic uncertainties are addressed in a unique way as signal acceptance uncertainties. In addition, a new approach to assess the systematic uncertainty associated with the choice of the background model is designed for the combined analysis. For the first time, the spurious signal technique is performed on generator-level simulated background samples, which allows for a precise determination of the background fit bias. No statistically significant excess in the dimuon invariant mass spectrum is observed in either analysis, and upper limits are set on the signal strength μ = σ/σ(SM) as a function of the Higgs boson mass. Signal strengths of μ ≥ 10.13 and μ ≥ 7.05 are excluded for a Higgs boson mass of 125.5 GeV with a confidence level of 95% by the standalone and combined analysis, respectively. In the light of the discovery of a particle consistent with the predictions for a Standard Model Higgs boson with a mass of m H = 125.5 GeV, the search results are reinterpreted for this special case, setting upper limits on the Higgs boson branching ratio of BR(H →μμ) ≤ 1.3 × 10^−3, and on the muon Yukawa coupling of λμ ≤ 1.6 × 10^−3 , both with a confidence level of 95 %.

In 2010, the Large Hadron Collider (\\lhc{}) at the European Organisation for Nuclear Research (CERN) near Geneva (Switzerland) came into full operation providing proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $\\sqrt{s} = \\unit[7]{TeV}$. \\lhc{} data may allow the observation of the Higgs boson, the last unknown building block of the standard model of particle physics (SM). Di-muon final states containing heavy flavour jets pose an irreducible background for searches of the Higgs boson as predicted the SM or theories beyond. They also provide a unique testbed for tests of perturbative Quantum Chromo-Dynamics (pQCD). This thesis provides a measurement of the cross section of events with one di-muon pair with an invariant mass in the \\Z{} mass region and at least one heavy flavour jet. Studies on acceptance and systematic effects of the experimental setup are presented as well as a comparison to theoretical predictions. The total inclusive cross section of \\zbFS{} events was observed as $\\sigma(\\mu^{+}\\mu^{-}+b+X) = \\unit[(4.15 ^{+0.97}_{-0.89} (stat.) ^{+0.45}_{-0.53} (syst.))]{pb} $ from the equivalent of $\\unit[36]{pb^{-1}}$ of data. Agreement with pQCD predictions at next-to leading order (NLO) is found while tensions with leading order (LO) predictions are observed. Further, the cross-section ratio \\RwZ{} with events containing two muons and at least one jet of any origin was measured to $\\mathcal{R} = \\unit[4.6 ^{+1.4}_{-1.2} (stat.) \\pm 0.5 (syst.)]{\\%}$. This is found to agree with NLO and LO calculations within known uncertainties.

This thesis presents a Monte Carlo study of neutral Higgs bosons of the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) decaying into muons at the Atlas experiment at the CERN Large Hadron Collider. Signal and background processes are simulated using novel Monte Carlo generators that incorporate parts of higher order corrections and are expected to give a more accurate prediction than previous programs. The SHERPA Monte Carlo generator is validated for its use in the analysis and compared to results obtained with other programs. Where possible, the Monte Carlo event samples are normalized to higher order calculations. To increase the available Monte Carlo statistics, this study is based on the ATLAS fast detector simulation ATLFAST. Differences between ATLFAST and the detailed detector simulation of ATLAS are examined, and, where possible, correction procedures are devised. A cut based analysis is performed assuming an integrated luminosity of 30 inverse femtobarns, and optimized with respect to the discovery potential for MSSM Higgs bosons. The systematic uncertainties of the event selection and the Monte Carlo predictions are estimated. A method that can be used to estimate the background from data is presented and evaluated. Last, the discovery potential of the \Atlas experiment in the CP conserving benchmark scenarios of the MSSM is evaluated. One or more of the neutral Higgs bosons of the MSSM can be discovered in the muonic decay mode using 30 inverse femtobarns of data for low masses of the pseudoscalar boson A, if the model parameter tan(beta) is at least 20. For higher masses of the A, tan(beta) would need to be significantly higher to ensure a discovery in the studied decay channel. The sensitivity of ATLAS to MSSM Higgs bosons is multiple times larger than the one of previous and currently running experiments. / Die vorliegende Arbeit präsentiert eine Monte Carlo Studie zu neutralen Higgs-Bosonen des Minimal Supersymmetrischen Standardmodells (MSSM) im myonischen Zerfallskanal am Atlas Experiment am Large Hadron Collider des CERN. Signal- und Untergrundprozesse werden mit neuartigen Monte Carlo Ereignisgeneratoren simuliert, die Teile der Korrekturen höherer Ordnung beinhalten, und von denen eine verbesserte Vorhersage erwartet wird im Vergleich zu herkömmlichen Programmen. Der SHERPA Monte Carlo Ereignisgenerator wird auf seine Brauchbarkeit für die Analyse überprüft und mit Ergebnissen anderer Programme verglichen. Sofern möglich werden die erstellten Monte Carlo Datensätze mittels Rechnungen zu höheren Ordnungen normiert. Um eine hinreichend große Statistik von simulierten Daten zu erhalten, wird die schnelle Detektorsimulation des ATLAS Detektors ATLFAST verwendet. Unterschiede zwischen der vollständigen Detektorsimulation und ATLFAST werden untersucht, und sofern möglich, Korrekturverfahren entwickelt. Eine schnittbasierte Analyse wird durchgeführt unter der Annahme einer integrierten Luminosität von 30 inversen femtobarn und optimiert mit Hinblick auf das Entdeckungspotenzial für MSSM Higgs-Bosonen. Die systematischen Unsicherheiten der Ereignisauswahl und der Monte Carlo-Vorhersagen werden abgeschätzt. Eine Methode zur Messung des Untergrundes in Daten wird vorgestellt und überprüft. Schliesslich wird das Entdeckungspotenzial des ATLAS Experiments in Vergleichspunkten für CP erhaltende Szenarien des MSSM ermittelt. F\ür niedrige Massen des pseudoskalaren Higgs-Bosons A kann mindestens eines der neutralen Higgs-Bosonen des MSSM im myonischen Zerfallskanal entdeckt werden, sofern der Modellparameter tan(beta) mindestens 20 ist. Für hohe Massen des A muss ein wesentlich größeres tan(beta) in der Natur realisiert sein, um eine Entdeckung im untersuchten Zerfallskanal zu ermöglichen. Die Sensitivität von ATLAS auf Higgs-Bosonen des MSSM ist um ein Vielfaches höher als diejenige bisheriger oder momentan laufender Experimente.

The reaction 12C(α,γ)16O is of paramount importance for the nucleosynthesis of heavier elements in stars. It takes place during helium burning and determines the abundance of 12C and 16O at the end of this burning stage and therefore influences subsequent nuclear reactions. Currently the cross section at astrophysically relevant energies is not known with satisfactory precision. Due to the low cross section of the reaction, low background, high beam intensities and target thicknesses are necessary for experiments. Therefore a new laboratory hosting a 5 MV ion accelerator, was built in the shallow-underground tunnels of Felsenkeller. The main background component in such laboratories was investigated with a muon telescope in this thesis. It was found, that the rock overburden of about 45 m vertical depth reduces the muons by a factor of about 40 compared to the surface. Furthermore the results of the measurements were compared to a simulation based on the geometry of the facility and showed good agreement. In the next step the accelerator was put into operation. Since the experiment on 12C(α,γ)16O will be done in inverse kinematics, an intense carbon beam is necessary to reach sufficient statistics. For this, the creation and extraction of carbon ions in an external ion source was improved. The external source now provides steady currents of 12C− of above 100 μA. In the following the transmission through the accelerator and the high-energy beamline was tested with a beam restricted in width. The pressure of the gas stripper in the centre of the accelerator and the parameters of different focusing elements after the accelerator were varied. It was found, that for a desired carbon beam energy of below 9 MeV, the 2+ charge state is suited best, where up to 35% of the inserted beam could be transmitted. To ease the planning of future experiments and aid the analysis of the data, the target chamber and two different kinds of cluster detectors were modelled in Geant4. The low-energy region was verified by comparing the simulations to measurements with radioactive calibration sources. Deviations for the detectors were below 10% without target chamber, and up to 30% for individual germanium crystals of the Cluster Detectors with the target chamber. A first test measurement was undertaken to investigate the capabilities of the new laboratory. Solid tantalum targets implanted with 4 He were prepared. An ERDA analysis of the used solid targets showed contaminations with carbon and oxygen. These led to beam-induced background in the region of interest during the irradiation. Then the targets were irradiated with a carbon beam at two different energies. While no clear signal of 12C(α,γ)16O could be observed, the beam could be steered on the target for the whole duration of the beam time spanning five days. Problems during this test, like low beam current, were identified. These could be partly remedied in the scope of this thesis. Suggestions for improvements for a second test run were developed as well.

In 2010, the Large Hadron Collider (\\lhc{}) at the European Organisation for Nuclear Research (CERN) near Geneva (Switzerland) came into full operation providing proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $\\sqrt{s} = \\unit[7]{TeV}$. \\lhc{} data may allow the observation of the Higgs boson, the last unknown building block of the standard model of particle physics (SM). Di-muon final states containing heavy flavour jets pose an irreducible background for searches of the Higgs boson as predicted the SM or theories beyond. They also provide a unique testbed for tests of perturbative Quantum Chromo-Dynamics (pQCD). This thesis provides a measurement of the cross section of events with one di-muon pair with an invariant mass in the \\Z{} mass region and at least one heavy flavour jet. Studies on acceptance and systematic effects of the experimental setup are presented as well as a comparison to theoretical predictions. The total inclusive cross section of \\zbFS{} events was observed as $\\sigma(\\mu^{+}\\mu^{-}+b+X) = \\unit[(4.15 ^{+0.97}_{-0.89} (stat.) ^{+0.45}_{-0.53} (syst.))]{pb} $ from the equivalent of $\\unit[36]{pb^{-1}}$ of data. Agreement with pQCD predictions at next-to leading order (NLO) is found while tensions with leading order (LO) predictions are observed. Further, the cross-section ratio \\RwZ{} with events containing two muons and at least one jet of any origin was measured to $\\mathcal{R} = \\unit[4.6 ^{+1.4}_{-1.2} (stat.) \\pm 0.5 (syst.)]{\\%}$. This is found to agree with NLO and LO calculations within known uncertainties.

Die Suche nach dem Higgs-Boson des Standardmodells der Teilchenphysik stellte einen der Hauptgründe für den Bau des Large Hadron Colliders (LHC) dar, dem derzeit größten Teilchenphysik-Experiment der Welt. Die vorliegende Arbeit ist gleichfalls von dieser Suche getrieben. Der direkte Zerfall des Higgs-Bosons in Myonen wird untersucht. Dieser Kanal hat mehrere Vorteile. Zum einen ist der Endzustand, bestehend aus zwei Myonen unterschiedlicher Ladung, leicht nachzuweisen und besitzt eine klare Signatur. Weiterhin ist die Massenauflösung hervorragend, sodass eine gegebenenfalls vorhandene Resonanz gleich in ihrer grundlegenden Eigenschaft - ihrer Masse - bestimmt werden kann. Leider ist der Zerfall des Higgs-Bosons in ein Paar von Myonen sehr selten. Lediglich etwa 2 von 10000 erzeugten Higgs-Bosonen zeigen diesen Endzustand . Außerdem existiert mit dem Standardmodellprozess Z/γ∗ → μμ ein Zerfall mit einer sehr ähnlichen Signatur, jedoch um Größenordnungen höherer Eintrittswahrscheinlichkeit. Auf ein entstandenes Higgs-Boson kommen so etwa 1,5 Millionen Z-Bosonen, welche am LHC bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV produziert werden. In dieser Arbeit werden zwei eng miteinander verwandte Analysen präsentiert. Zum einen handelt es sich hierbei um die Untersuchung des Datensatzes von Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV, aufgezeichnet vom ATLAS-Detektor im Jahre 2012, auch als alleinstehende Analyse bezeichnet. Zum anderen erfolgt die Präsentation der kombinierten Analyse des kompletten Run-I Datensatzes, welcher aus Aufzeichnungen von Proton-Proton-Kollisionen der Jahre 2011 und 2012 bei Schwerpunktsenergien von 7 TeV bzw. 8 TeV besteht. In beiden Fällen wird die Verteilung der invarianten Myon-Myon-Masse nach einer schmalen Resonanzsignatur auf der kontinuierlichen Untergrundverteilung hin untersucht. Dabei dient die theoretisch erwartete Massenverteilung sowie die Massenauflösung des ATLAS-Detektors als Grundlage, um analytische Parametrisierungen der Signal- und Untergrundverteilungen zu entwickeln. Auf diese Art wird der Einfluss systematischer Unsicherheiten auf Grund von ungenauer Beschreibung der Spektren in Monte-Carlo Simulationen verringert. Verbleibende systematische Unsicherheiten auf die Signalakzeptanz werden auf eine neuartige Weise bestimmt. Zusätzlich wird ein bisher einzigartiger Ansatz verfolgt, um die systematische Unsicherheit resultierend aus der Wahl der Untergrundparametrisierung in der kombinierten Analyse verfolgt. Zum ersten Mal wird dabei die Methode des scheinbaren Signals auf einem simulierten Untergrunddatensatz auf Generator-Niveau angewendet, was eine Bestimmung des Einflusses des Untergrundmodells auf die Anzahl der ermittelten Signalereignisse mit nie dagewesener Präzision ermöglicht. In keiner der durchgeführten Analysen konnte ein signifikanter Überschuss im invarianten Massenspektrum des Myon-Myon-Systems nachgewiesen werden, sodass obere Ausschlussgrenzen auf die Signalstärke μ = σ/σ(SM) in Abhängigkeit von der Higgs-Boson-Masse gesetzt werden. Dabei sind Stärken von μ ≥ 10,13 bzw. μ ≥ 7,05 mit einem Konfidenzniveau von 95% durch die alleinstehende bzw. kombinierte Analyse ausgeschlossen, jeweils für eine Higgs-Boson-Masse von 125,5 GeV. Die erzielten Ergebnisse werden ebenfalls im Hinblick auf die kürzlich erfolgte Entdeckung des neuen Teilchens interpretiert, dessen Eigenschaften mit den Vorhersagen eines Standardmodell-Higgs-Bosons mit einer Masse von etwa 125,5 GeV kompatibel sind. Dabei werden obere Grenzen auf das Verzweigungsverhältnis von BR(H → μμ) ≤ 1,3 × 10^−3 und auf die Yukawa-Kopplung des Myons von λμ ≤ 1,6 × 10^−3 gesetzt, jeweils mit einem Konfidenzniveau von 95%.:1. Introduction 2. Theoretical Foundations 3. Experimental Setup 4. Event Simulation 5. Muon Reconstruction and Identification 6. Event Selection 7. Signal and Background Modeling 8. Systematic Uncertainties 9. Statistical Methods 10. Results 11. Summary and Outlook / The search for the Standard Model Higgs boson was one of the key motivations to build the world’s largest particle physics experiment to date, the Large Hadron Collider (LHC). This thesis is equally driven by this search, and it investigates the direct muonic decay of the Higgs boson. The decay into muons has several advantages: it provides a very clear final state with two muons of opposite charge, which can easily be detected. In addition, the muonic final state has an excellent mass resolution, such that an observed resonance can be pinned down in one of its key properties: its mass. Unfortunately, the decay of a Standard Model Higgs boson into a pair of muons is very rare, only two out of 10000 Higgs bosons are predicted to exhibit this decay. On top of that, the non-resonant Standard Model background arising from the Z/γ∗ → μμ process has a very similar signature, while possessing a much higher cross-section. For one produced Higgs boson, there are approximately 1.5 million Z bosons produced at the LHC for a centre-of-mass energy of 8 TeV. Two related analyses are presented in this thesis: the investigation of 20.7 fb^−1 of the proton-proton collision dataset recorded by the ATLAS detector in 2012, referred to as standalone analysis, and the combined analysis as the search in the full run-I dataset consisting of proton-proton collision data recorded in 2011 and 2012, which corresponds to an integrated luminosity of L = 24.8 fb^−1 . In each case, the dimuon invariant mass spectrum is examined for a narrow resonance on top of the continuous background distribution. The dimuon phenomenology and ATLAS detector performance serve as the foundations to develop analytical models describing the spectra. Using these analytical parametrisations for the signal and background mass distributions, the sensitivity of the analyses to systematic uncertainties due to Monte-Carlo simulation mismodeling are minimised. These residual systematic uncertainties are addressed in a unique way as signal acceptance uncertainties. In addition, a new approach to assess the systematic uncertainty associated with the choice of the background model is designed for the combined analysis. For the first time, the spurious signal technique is performed on generator-level simulated background samples, which allows for a precise determination of the background fit bias. No statistically significant excess in the dimuon invariant mass spectrum is observed in either analysis, and upper limits are set on the signal strength μ = σ/σ(SM) as a function of the Higgs boson mass. Signal strengths of μ ≥ 10.13 and μ ≥ 7.05 are excluded for a Higgs boson mass of 125.5 GeV with a confidence level of 95% by the standalone and combined analysis, respectively. In the light of the discovery of a particle consistent with the predictions for a Standard Model Higgs boson with a mass of m H = 125.5 GeV, the search results are reinterpreted for this special case, setting upper limits on the Higgs boson branching ratio of BR(H →μμ) ≤ 1.3 × 10^−3, and on the muon Yukawa coupling of λμ ≤ 1.6 × 10^−3 , both with a confidence level of 95 %.:1. Introduction 2. Theoretical Foundations 3. Experimental Setup 4. Event Simulation 5. Muon Reconstruction and Identification 6. Event Selection 7. Signal and Background Modeling 8. Systematic Uncertainties 9. Statistical Methods 10. Results 11. Summary and Outlook