Studies of quantum chromodynamics and measurement of the strong coupling constant with jets from the CMS experiment at the LHC

Abstract

This dissertation studies the experimental verification of the perturbative Quantum Chromodynamics (pQCD) as it is described within the theoretical framework of the Standard Model (SM). The dissertation consists of three analyses with jets in the final state. The data were recorded by the CMS Experiment at the LHC during proton-proton collisions.The first analysis measured the strong coupling constant, αs, from the inclusive jet cross section. The data were collected during proton-proton collisions at the centre-of-mass energy of 7 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 5.0f b−1. The value of strong coupling at the mass of the Z boson was found to be αs(MZ) = 0.1185 ± 0.0019(exp)+0.0037−0.0060(theo) is in agreement with the world average. The running of the strong coupling was also studied and is found to be consistent with the predictions of pQCD.The second analysis measured the strong coupling constant, αs, from the ratio of the inclusive 3−jet cross section to the inclusive 2−jet cross section. The data sample was collected during 2011 during proton-proton collisions at centre-of-mass energy of 7 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 5.0 f b−1. The strong coupling constant at the scale of theZ boson mass is determined to be αs(MZ) = 0.1148 ± 0.0014(exp.) ±0.0018(P DF) ± 0.0050(theory), by comparing the ratio in the range 0.42 < hpT1,2i < 1.39 T eV to the predictions of pQCD. This is the first determination of αs(MZ) from measurements at momentum scales beyond 0.6 TeV. No deviation from the expected behavior is observed.The third analysis measured the decorrelation of azimuthal angles between the two jets with the largest transverse momenta and it is presented for seven regions of leading jet transverse momentum up to 2.2TeV. The data sample was collected during proton-proton collisions with the CMS experimentat a centre-of-mass energy of 8 TeV corresponding to an integrated luminosity of 19.7f b−1. The dijet azimuthal decorrelation is caused by theradiation of additional jets and probes the dynamics of multijet production.The results are compared to next-to-leading-order (NLO) predictionsof pQCD, and to simulations using Monte Carlo event generators. Event generators with only two outgoing high transverse momentum partons fail to describe the measurement while better agreement is achieved when at least three outgoing partons are complemented through either NLO predictions or parton showers. This observation emphasizes the need to improve predictions for multijet production.

Η παρούσα διατριβή ασχολείται με την πειραματική επιβεβαίωση της διαταρακτικής Κβαντικής Χρωμοδυναμικής όπως περιγράφεται από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Η διατριβή αποτελείται από τρεις αναλύσεις με πίδακες σωματιδίων στην τελική κατάσταση. Τα δεδομένα συλλέχθηκαν από το πείραμα῝ΜΣ κατά την διάρκεια συγκρούσεων προτονίων-προτονίων στον επιταχυντή ΛΗ῝. Η πρώτη ανάλυση μετράει την σταθερά ισχυρής αλληλεπίδρασης, αs, από την ολική διαφορική ενεργό διατομή πιδάκων. Τα δεδομένα συλλέχθηκαν από συγκρούσεις προτονίων-προτονίων σε ενέργεια κέντρου μάζας 7 TeV,και αντιστοιχούν σε ολοκληρωμένη φωτεινότητα 5.0 f b−1 . Η τιμή της σταθεράς στη μάζα του μποζονίου Ζ, βρέθηκε να είναι αs(MZ) = 0.1185 ±0.0019(exp) +0.0037 −0.0060(theo) και είναι σε συμφωνία με τον παγκόσμιο μέσο όρο. Επίσης μελετήθηκε η ασυμπτωτική φύση της σταθεράς και φαίνεται να είναι σε συμφωνία με τους θεωρητικούς υπολογισμούς. Η δεύτερη ανάλυση μετράει την σταθερά ισχυρής αλληλεπίδρασης, ας, από τον λόγο της ενεργής διατομής 3 προς 2 πιδάκων σωματιδίων. Τα δεδομένα συλλέχθηκαν από συγκρούσεις πρωτονίων- πρωτονίων σε ενέργεια κέντρου μάζας 7 TeV, και αντιστοιχούν σε ολοκληρωμένη φωτεινότητα 5.0 f b−1 . Η τιμή της σταθεράς στη μάζα του μποζονίου Ζ, βρέθηκε να είναι αs(MZ) =0.1148 ± 0.0014(exp.) ± 0.0018(P DF) ± 0.0050(theory), συγκρίνοντας την πειραματική μέτρηση και τη θεωρία στην περιοχή, 0.42 < hpT1,2i < 1.39TeV. Αυτή η μέτρηση αποτελεί την πρώτη μέτρηση της σταθεράς ισχυρής αλληλεπίδρασης σε κλίμακα πέραν των 0.6 TeV. Από αυτή την ανάλυση δεν φάνηκε καμία απόκλιση από την θεωρία. Η τρίτη ανάλυση μετράει τις απο συσχετίσεις των αζιμουθιακών γωνιών ανάμεσα στους δύο πίδακες με την μεγαλύτερη εγκάρσια ορμή. Η μέτρηση πραγματοποιήθηκε σε εφτά περιοχές οι οποίες ορίζονται από το μέγεθος της εγκάρσιας ορμής του πίδακα με την μεγαλύτερη εγκάρσια ορμή σε ένα γεγονός. Τα δεδομένα συλλέχθηκαν από συγκρούσεις πρωτονίων-πρωτονίων σε ενέργεια κέντρου μάζας 8 TeV, και αντιστοιχούν σε ολοκληρωμένη φωτεινότητα 19.7 f b−1. Οι αζιμουθιακές αποσυσχετίσεις προκύπτουν από την εκπομπή επιπλέον πιδάκων και εξαρτώνται από την τοπολογία των γεγονότων με πολλαπλούς πίδακες. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με προβλέψεις από τη διαταρακτική Κβαντική Χρωμοδυναμική και προσομοιώσεις γεγονότων από γεννήτορες Monte Carlo. Από τις συγκρίσεις φαίνεται ότι οι γεννήτορες γεγονότων με δύο παρτόνια στην τελική κατάσταση αδυνατούν να περιγράψουν την μέτρηση. Καλύτερη συμφωνία επιτυγχάνεται όταν χρησιμοποιήθηκαν θεωρητικά εργαλεία τα οποία παράγουν τουλάχιστον τρία παρτόνια. Αυτή η παρατήρηση καταδεικνύει την ανάγκη για την βελτίωση των υπολογισμών πολλαπλών πιδάκων.