Study of standard model processes with leptons of high transverse momentum with the ATLAS detector

Abstract

This PhD thesis has taken up various aspects in experimental particlephysics by analyzing the first data of the Atlas detector. The main subjectof the thesis is the production cross section measurement of the ZZprocess at √s = 7 TeV of proton-proton collisions. In order to study this,the author has contributed to various topics, such as detector related issues,the study of standard candle processes and Monte Carlo studies.In specific, this thesis presents a detailed study for the improvement of thehit position and peaking time resolution of the CSCs with 0.6% and 0.4%relative errors respectively.This thesis has also contributed to the first Z inclusive cross section measurementat √s = 7 TeV, by analyzing the first 316 nb−1 of data recordedby the Atlas detector. The Z → `` cross section measurement is used asa standard candle for detector performance assessment as well as for thetuning of theoretical predictions at the new energy regime. The fiducialand total cross sections have been found to be:σfidZ→ee = 0.33 ± 0.04(stat) ± 0.03 (syst) ± 0.04 (lumi) nbσtotZ = 0.75 ± 0.09 (stat) ± 0.08 (syst) ±0.08 (lumi) nb.and are in agreement with the Standard Model NNLO predictions of 0.96±0.05nb.This thesis studies the ZZ → 4` process and completes the analysis withthe first 1 fb−1. The fiducial and total cross section were determined to be:σfidZZ→`+`−`+`− = 19.4+6.3−5.2(stat)+0.9−0.7(syst) +0.9−0.6(lumi) fbσtotZZ = 8.5+2.7−2.3(stat) +0.4−0.3(syst) ±0.3 (lumi) pb.and are statistically consistent with the SM NLO total cross section of6.5+0.3−0.2pb.Finally, the current thesis seacrhes for doubly charged Higgs bosons andthe Randal-Sundrum Graviton in the same final states as in the ZZ → 4`analysis. In the former, an upper limit on the fiducial cross section of fourlepton production has been set at 4.7 fb and in the graviton case, an upperlimit on the production cross section of ZZ pairs from high mass resonanceswas established, within the fiducial region, at 0.92 pb. The observed andexpected 95% C.L. lower limit on the mass of the graviton is MG > 575GeV.

Το κυρίως θέμα του διδακτορικού αυτού είναι η μέτρηση της ενεργού διατομήςτης παραγωγής ζεύγους μποζονίων Z σε ενέργεια κέντρου μάζας √s = 7TeV, αναλύοντας τα πρώτα δεδομένα του Ατλας. Για να επιτευχθεί αυτός οστόχος, ο συγγραφέας έχει καταπιαστεί με διάφορα θέματα της πειραματικήςφυσικής υψηλών ενεργειών. Πιο συγκεκριμένα, έχει ασχοληθεί με τεχνικάθέματα που αφορούν τον ίδιο τον ανιχνευτή, έχει μελετήσει τη διαδικασία τουΚαθιερωμένου Προτύπου που αποτελεί κλειδί στις μετέπειτα διερευνήσεις τουκαι μελέτησε εξονυχιστικά Monte Carlo δείγματα για την κατανόηση τόσο τηςδιαδικασίας που τον απασχολεί όσο και του υποβάθρου που την συνοδεύει.Ο συγγραφέας συμμετείχε ενεργά στην ομάδα που είναι υπεύθυνη για τηνλειτουργία και απόδοση του ανιχνευτή ‘Καθοδικοί Θαλάμοι Μικρολωρίδων’,όπου και δούλεψε για τη βελτίωση της μέτρησης της θέσης των μιονίων καιτου χρόνου ολίσθησης των ηλεκτρονίων αναλύοντας δεδομένα από τον LHC.Ως ενεργό μέλος της ομάδας του Ατλας που μελετά τις διαδικασίες του Καθιε-ρωμένου Προτύπου συμμετείχε σε διάφορες αναλύσεις. Μια από τις πιο κύριεςήταν η μέτρηση της ενεργού διατομής της παραγωγής Z μποζονίων αναλύονταςτα πρώτα δεδομένα που είχαν καταγραφεί από το πείραμα Ατλας, μέτρηση ηοποία πραγματοποιόταν για πρώτη φορά σε √s = 7 TeV. Η μελέτη της διαδι-κασίας αυτής αποτελούσε καίριο σημείο για τις μελέτες που θα έπονταν για τημέτρηση της ενεργού διατομής ζεύγους Z μποζονίων.Ο συγγραφέας κατά τη διάρκεια του διδακτορικού του συμμετείχε σε όλες τιςφάσεις της μελέτης του ζεύγους Z μποζονίων, ξεκινώντας από μελέτες σεMonte Carlo μέχρι και την τελευταία δημοσίευση. Κατα τη διάρκεια των με-λετών σε Monte Carlo επίπεδο, ανέπτυξε αλγόριθμο για την ανίχνευση ZZμποζονίων διαμέσου των διασπάσεων τους σε τέσσερα λεπτόνια, ZZ → ```0`0,και βελτιστοποίησε τα κριτήρια επιλογής για την καλύτερη ανάδειξη της δια-δικασίας αυτής. Με την καταγραφή του 1 fb−1δεδομένων από τον Ατλας,ήταν πλέον δυνατή η μελέτη της διαδικασίας αυτης σε επίπεδο πραγματικώνδεδομένων. Στις μελέτες αυτές διαδραμάτησε σημαντικό ρόλο όπου και έφερεεις πέρας τις ακόλουθες υποχρεώσεις: Βελτιστοποίησε τα κριτήρια επιλογήςτης ανάλυσης, μελέτησε και εξήγησε τις διαφορές που παρατηρούνταν μεταξύδεδομένων και Monte Carlo στις κατανομές της αναλλοίωτης μάζας των δια-δικασιών Z → ee/µµ, μελέτησε τα συστηματικά σφάλματα που επηρεάζουντη μέτρηση της ενεργού διατομής, μελέτησε το υπόβαθρο της διαδικασίας καιτέλος μέτρησε την ενεργό διατομή. Αρκετά από τα κομμάτια του διδακτορικούαυτού είναι καίριας σημασίας για την ανάλυση που ακολούθησε στο ZZ κανάλιχρησιμοποιώντας όλη τη διαθέσιμη στατιστική του 2011, όπως επίσης κάποιαάλλα κομμάτια θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε τελικές καταστάσεις μετέσσερα λεπτόνια γενικότερα.Επιπρόσθετα, ο συγγραφέας συμμετείχε στις έρευνες για γκραβιτόνιο και διπλάφορτισμένα μποζόνια Higgs μέσω των διασπάσεων τους σε τέσσερα λεπτόνια.Οι μελέτες αυτές βασίστηκαν στην ανάλυση της διαδικασίας ZZ → 4`, καθώςμοιράζονται τις ίδιες τελικές καταστάσεις. Τα αποτελέσματα αυτών των ε-ρευνών συζητούνται επίσης στο διδακτορικό αυτό.