Die Frage, welche fundamentalen Prinzipien den Aufbau der Materie unseres Universums bestimmen und was sie „im Innersten zusammenhält“, ist seit jeher Gegenstand der Neugier und des Forschungsdrangs der Menschen. Das vorliegende Unterrichtsmaterial möchte Sie und Ihre Schüler in die faszinierende Welt der Teilchenphysik mitnehmen, um einige Antworten auf diese Frage zu finden. Die Inhalte lassen sich in Form eines Spiralcurriculums behandeln, so dass eine wiederkehrende Beschäftigung mit den grundlegenden Konzepten der Elementarteilchenphysik im Physikunterricht in differenzierter Form und Tiefe, in unterschiedlichem Umfang, auf sich steigerndem Niveau und auf der Grundlage unterschiedlicher Vorkenntnisse möglich ist. So können wesentliche Inhalte zu den zentralen Begriffen „Ladungen, Wechselwirkungen und Elementarteilchen“ vermittelt werden. Der Band wird durch Informationen für Lehrkräfte und Aufgaben mit Lösungen abgerundet.

Das heutige Wissen über den Aufbau von Materie und die Entwicklung des Universums kurz nach dem Urknall beruht auf Erkenntnissen, die mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern und -detektoren gewonnen wurden. Das vorliegende Unterrichtsmaterial bietet Ihnen und Ihren Schülern einen Einblick in die Forschungsmethoden der experimentellen Teilchenphysik. In den KAPITELN 1 und 2 werden zunächst einige Hintergrundinformationen für Lehrkräfte gegeben. Dazu gehören Anknüpfungspunkte an den Lehrplan, benötigte Vorkenntnisse der Schüler, Lernziele sowie methodische und fachliche Hinweise. KAPITEL 3 befasst sich mit den Zielen der aktuellen experimentellen Teilchenphysik-Forschung, wie sie am LHC des CERN in Genf betrieben wird. In zwei getrennten Abschnitten werden Teilchenbeschleuniger und Teilchendetektoren eingeführt. Jeder Abschnitt endet mit Fragen zur Selbstkontrolle. Daran schließt sich jeweils ein Kapitel mit Aufgaben an.

This thesis is concerned with the theoretical modelling of scattering processes as they are studied at high-energy collider experiments. Special attention is thereby given to an accurate simulation of multi-particle final states that are expected to constitute the key signatures for the existence of physics beyond the Standard Model of particle physics.

Es werden Messungen der totalen Wirkungsquerschnitte der Prozesse pp → W/Z → ll′ in Endzuständen mit Elektronen und Myonen präsentiert. Für diese Analyse werden Daten, die im Jahr 2013 mit dem ATLAS-Detekor am LHC bei einer Schwerpunktsenergie von √s= 2.76 TeV aufgezeichnet wurden und einer integrierten Luminosität von pb−1 entsprechen, verwendet. In dieser Analyse werden mehrere Quellen systematischer Unsicherheiten berücksichtigt. Die Untergründe werden sowohl mittels Simulationen (für elektroschwache und tt ̄ Un- tergründe) als auch mithilfe datengetriebener Methoden (für den Multi-Jet Untergrund) abgeschätzt. Die Resultate der Elektron- und Myon-Kanäle werden kombiniert und ergeben die folgenden Wirkungsquerschnitte: sigma_fid(W → lν) = 2206.3±20.2(stat.)±10.6(sys.)±68.4(lumi.)[pb], sigma_fid(Z → ll) = 200.4±6.1(stat.)±0.3(sys.)±6.2(lumi.)[pb]. Die kombinierten Wirkungsquerschnitte werden zur Berechnung der Wirkungsquerschnitts- Verhältnisse W/Z und W+/W− benutzt. Die Ergebnisse werden mit QCD-Berechnungen unterschiedlicher Ordnungen verglichen. Der Einfluss dieser Messung auf Partonverteilungsfunktionen (parton distribution func- tions, PDFs) wird abgeschätzt. Die gesamte Unsicherheit dieser Messungen ist vergleich- bar mit den Unsicherheiten aktueller PDFs, weshalb diese Analyse zur Einbeziehung in zukünftige PDF-Bestimmungen geeignet ist. Außerdem wurden Studien zur Frozen Showers Methode zur schnelleren Simulation von Ereignissen im ATLAS-Detektor durchgeführt. Es wurde eine neue Methode zur Gener- ierung einer Frozen Showers Bibliothek entwickelt, die eine Reduzierung der für diesen Abschnitt benötigten Zeit erlaubt. / Measurements of the total pp → W/Z → ll′ cross sections in the electron and muon s = 2.76 TeV with the ATLAS detector at the LHC (in 2013), corresponding to a total integrated luminosity of 4 channels are presented. Data collected at a center-of-mass energy pb−1, are used for this analysis. In this measurement, several sources of systematic uncertainties are estimated. The back- ground contribution is estimated using simulation (for electroweak and tt ̄ backgrounds) as well as data-driven methods (for the multijet background). The combined results for electron and muon channels provide the following cross sections: sigma_fid(W → lν) = 2206.3±20.2(stat.)±10.6(sys.)±68.4(lumi.)[pb], sigma_fid(Z → ll) = 200.4±6.1(stat.)±0.3(sys.)±6.2(lumi.)[pb]. The combined cross sections are used for the calculation of the W/Z and W+/W− cross section ratios. These results are compared with different orders of QCD calculations. The effect of the addition of the measured cross sections to the parton density functions (PDF) is estimated. The total uncertainty of the measurements is comparable to the current global PDF uncer- tainties, which makes them applicable for future PDF determination. Additionally, studies of the Frozen Showers method for fast simulation have been per- formed. A new method of Frozen Showers library generation, allowing to reduce time spend on this stage, is developed.

This thesis concerns with numerical methods for a theoretical description of high energy particle scattering experiments. It focuses on fixed order perturbative calculations, i.e. on matrix elements and scattering cross sections at leading and next-to-leading order. For the leading order a number of algorithms for the matrix element generation and the numeric integration over the phase space are studied and implemented in a computer code, which allows to push the current limits on the complexity of the final state and the precision. For next-to-leading order calculations necessary steps towards a fully automated treatment are performed. A subtraction method that allows a process independent regularization of the divergent virtual and real corrections is implemented, and a new approach for a semi-numerically evaluation of one-loop amplitudes is investigated.

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For many centuries, the study of the Sun has been an important testbed for understanding stars that are further away. One of the first astronomical observations Galileo Galilei made in 1612 with the newly invented telescope concerned the sunspots, and in 1814, Joseph von Fraunhofer employed his new spectroscope to discover the absorption lines in the solar spectrum that are now named after him. Even though more refined and new modes of observation are now available than in the days of Galileo and Fraunhofer, the study of the Sun is still high on the agenda of contemporary science, due to three guiding interests. The first is connected to the ages-old human striving to understand the structure of the larger world surrounding us. Modern telescopes, some of them even based outside the Earth’s atmosphere in space, have succeeded in observing astronomical objects that are billions of lightyears away. However, for practical reasons precision data that are important for understanding stars can still only be gained from the Sun. In a sense, the observations of far-away astronomical objects thus call for a more precise study of the closeby, of the Sun, for their interpretation. The second interest stems from the human desire to understand the essence of the world, in particular the elementary particles of which it consists. Large accelerators have been constructed to produce and collide these particles. However, man-made machines can never be as luminous as the Sun when it comes to producing particles. Solar neutrinos have thus served not only as an astronomical tool to understand the Sun’s inner workings, but their behavior on the way from the Sun to the Earth is also being studied with the aim to understand their nature and interactions. The third interest is strictly connected to life on Earth. A multitude of research has shown that even relatively slight changes in the Earth’s climate may strongly affect the living conditions in a number of densely populated areas, mainly near the ocean shore and in arid regions. Thus, great effort is expended on the study of greenhouse gases in the Earth’s atmosphere. Also the Sun, via the solar irradiance and via the effects of the so-called solar wind of magnetic particles on the Earth’s atmosphere, may affect the climate. There is no proof linking solar effects to short-term changes in the Earth’s climate. However, such effects cannot be excluded, either, making it necessary to study the Sun. The experiments summarized in the present work contribute to the present-day study of our Sun by repeating, in the laboratory, some of the nuclear processes that take place in the core of the Sun. They aim to improve the precision of the nuclear cross section data that lay the foundation of the model of the nuclear reactions generating energy and producing neutrinos in the Sun. In order to reach this goal, low-energy nuclear physics experiments are performed. Wherever possible, the data are taken in a low-background, underground environment. There is only one underground accelerator facility in the world, the Laboratory Underground for Nuclear Astrophysics (LUNA) 0.4MV accelerator in the Gran Sasso laboratory in Italy. Much of the research described here is based on experiments at LUNA. Background and feasibility studies shown here lay the base for future, higher-energy underground accelerators. Finally, it is shown that such a device can even be placed in a shallow-underground facility such as the Dresden Felsenkeller without great loss of sensitivity.

In dieser Arbeit wird die Messung des normalisierten differentiellen Wechselwirkungsquerschnitts von Top Quark Produktionen mit zusätzlichen Jets präsentiert. Es werden Proton-Proton Kollisionsdaten des ATLAS Experiments am Large Hadron Collider bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV mit einer Luminosität von 3.2 fb-1 verwendet. Die Top Quark Ereignissen werden durch ein entgegengesetzt geladenes Elektron-Muon Paar und zwei b-tagged Jets selektiert. Der differentielle Wechselwirkungsquerschnitt wird als Funktion von Observablen, die sensitiv auf zusätzliche Jets sind, gemessen: der Jetmultiplizität, des transversalen Impulses der zusätzlichen Jets, der Summe der transversalen Impulse aller Objekte im Ereignis und räumlichen Korrelationen zwischen den zwei Jets mit dem größten Impulsen. Die gemessenen Daten werden auf Teilchen-Level korrigiert und mit verschiedenen Vorhersagen für detailierte Studien des Monte Carlo QCD Models verglichen. / In this thesis, the measurement of the normalised differential cross-sections of top quark pair production in association with jets using 3.2 fb-1 of proton-proton col- lision data at a centre-of-mass energy of 13 TeV by the ATLAS experiment at the LHC are presented. Jets are selected from top events which are defined by an opposite-charge electron-muon pair and two b-tagged jets in the final state. The cross-sections are measured as functions of several observables are sensitive to ad- ditional jets: jet multiplicities, transverse momentum of additional jets, transverse momentum sum of all objects in the event and spatial correlations of the two high- est momentum additional jets. The data are corrected to obtain particle-level fidu- cial cross-section. The resulting measurements are compared to several predictions allowing detailed studies of Monte Carlo QCD modelling.

Die am LHC gewonnen Ergebnisse stimmen überwiegend mit den Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik (SM) überein, doch die Notwendigkeit von Physik jenseits des Standardmodells (BSM) bleibt. Allerdings führt kein klarer Weg zu einem Nachfolger des Standardmodells. In dieser Arbeit wird daher ein allgemeines theoretisches Werkzeug für die Erforschung der Grenzen des SM verwendet: die Effektiven Feldtheorien (EFTs). In dieser Arbeit wird die Standard Model Effective Field Theory (SMEFT) benutzt, um das Potential des zukünftigen Hadronenbeschleunigers FCC-hh zu beurteilen. Hierfür wird der Vh-Produktionsprozess untersucht. Die Sensitivität dieser Kanäle wird durch die Messung von doppelt differenziellen Wirkungsquerschnitten möglich. Die Abwesenheit von Eich-Anomalien ist nötig, um die Konsistenz einer Quantenfeldtheorie zu bewahren. Es wird gezeigt, dass die SMEFT bis zur Massendimension 6 für beliebige Werte seiner WCs frei von aus Dreiecks-Anomalien stammenden Eich-Anomalien ist. Die bosonischen EFT-Techniken werden auch benutzt, um die Beziehung zwischen gemischten globalen Eich-Anomalien und Axion-Kopplungen zu Vektorbosonen in Axion-EFTs zu analysieren. Es ergibt sich, dass diese in keiner Beziehung zueinander stehen, wenn schwere chirale Fermionen ausintegriert werden. Dieser Fakt verknüpft Axion-EFTs mit chiralen Erweiterungen des Standardmodells. Für nichtabelsche Eichbosonen werden IR-Summenregeln gefunden, deren Verletzung die Anwesenheit chiraler Felder im UV-Bereich anzeigen. Es wird eine minimale Erweiterung des Standardmodells als Beispiel studiert. Letztlich wird gezeigt, wie alte Formalismen zu neuen Einsichten führen können. Helizitäts-Spinoren und Streuamplituden werden eingeführt und es wird diskutiert, wie sie die Berechnung der Amplituden erleichtern und inwiefern sie eine Alternative zu EFTs darstellen. Die VVh- und VVhh-Amplituden werden studiert und ihre Hoch-Energie-Grenzwerte einschließlich verschiedener BSM-Beiträge berechnet. / The results obtained at the LHC agree well with the predictions of the Standard Model of particle physics (SM). However, the need for Beyond the Standard Model (BSM) physics remains. But there is no clear path towards a successor for the SM. Hence, we must prepare the tools needed to explore the frontiers of physics thoroughly. In this work, we study one of the main theoretical tools that can be used for such an exploration, Effective Field Theories (EFTs). We use the Standard Model Effective Field Theory (SMEFT) to study the Vh production process at FCC-hh, assessing the discovery potential of that future collider. The sensitivity to BSM effects is improved via the measurement of doubly-differential cross-sections. We also study the relation between EFTs and anomalies. The absence of gauge anomalies is required to preserve the consistency of a Quantum Field Theory. We prove that SMEFT at dimension 6 is free from gauge anomalies coming from triangle diagrams for any value of its WCs. Then, we analyse the relationship in axion EFTs between mixed global-gauge anomalies and axion couplings to vector bosons. They turn out to be unrelated when heavy chiral fermions are integrated out, linking axion EFTs to chiral extensions of the SM. We find IR sum rules whose violation indicate the presence of chiral fields in the UV. We show and study a minimal phenomenologically relevant model as an example. Finally, we explore how revisiting old formalisms can lead to new insights. We introduce the helicity spinor and scattering amplitudes formalisms and show how they facilitate the computation of cross sections and discuss how they constitute an alternative to EFTs as a parametrisation of BSM effects. We study the VVh and VVhh amplitudes, of which we compute the high-energy limit including different BSM contributions.

In dieser Dissertation wird eine Suche nach vektorartigen Quarks (VLQs) beim Zerfall in ein W-Boson und ein b-Quark vorgestellt. Die Suche wird mit Proton-Proton-Kollisionsdaten durchgeführt, die vom ATLAS-Detektor am CERN bei einer Schwerpunktsenergie von √s = 13 TeV zwischen 2015 und 2018 während dem LHC Run II gesammelt wurden. Die Existenz von VLQs wird von mehreren Theorien jenseits des Standardmodells postuliert, zudem sind VLQs ein einfaches Beispiel für Fermionen mit Farbladung, die immer noch mit experimentellen Beobachtungen konsistent sind. Diese Arbeit konzentriert sich auf den Fall, dass ein einzelnes VLQ erzeugt wird und in ein b-Quark und ein W-Boson zerfällt, das dann wiederum in ein geladenes Lepton und ein Neutrino zerfällt. Diese Suche schließt sich an mehrere Suchen nach einzeln und paarweise erzeugten VLQs am LHC an, die sowohl bei ATLAS als auch bei CMS durchgeführt wurden und deren Existenz bis zu einer Masse von über 1 TeV ausgeschlossen haben. Bei einer Masse von etwa 1.8 TeV wird ein Überschuss von 3.7 σ gegenüber der Vorhersage des Standardmodells beobachtet. Einige mögliche Masse/Kopplungskombinationen werden durch diese Analyse ausgeschlossen. Dies ist jedoch weniger Parameterraum als aufgrund eines unerwarteten Überschusses an beobachteten Ereignissen erwartet wurde. / In this thesis, a search for vector-like quarks (VLQs) decaying into a W-boson and a b-quark is presented. The search is performed on proton-proton collision data collected by the ATLAS detector at CERN at a center-of-mass energy of √s = 13 TeV between 2015 and 2018, during Run II of the LHC. The existence of VLQs is consistent with several Beyond the Standard Model theories and VLQs are a simple example of coloured fermions that are still consistent with experimental observations. This work focuses on the case where a single VLQ is produced and decays to a b- quark and a W-boson, which then decays to a charged lepton and a neutrino. This search follows on several searches for singly- and pair-produced VLQs at the LHC from both ATLAS and CMS, which have excluded their existence up to over 1 TeV, and this search considers VLQs in a mass range from 1 TeV to 2.7 TeV. An excess over the Standard Model (SM) prediction of 3.7 σ is observed at a mass of around 1.8 TeV. Some possible mass/coupling combinations are excluded by this analysis. However, this is less parameter space than was expected due to an unexpected excess of observed events.