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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-87909
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8790/


Measurement of the total and differential b cross sections at HERA and CMS tracker alignment at LHC

Messung des totalen und differentiellen b-Wirkungsquerschnitts am HERA-Speicherring und Ausrichtung des CMS-Spurdetektors am LHC

Stefaniuk, Nazar

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SWD-Schlagwörter: Bottom particles , Quark <Physics> , Quantum Chromodynamics , Meson , B-Meson
Freie Schlagwörter (Englisch): CERN , CMS experiment , CMS tracker alignment , HERA collider , ZEUS experiment
Basisklassifikation: 33.23 , 33.56 , 33.50 , 33.05
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Geiser, Achim (PD Dr.) , Gallo, Elisabetta (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 08.05.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 03.11.2017
Kurzfassung auf Deutsch: Die Doktorarbeit ist in zwei inhaltlich getrennte Bereiche gegliedert. Im Ersten werden Analysen von ZEUS Daten präsentiert. Die Daten stammen von Elektron-Proton-Kollisionsmessungen, die mit dem ZEUS Detektor in den Jahren 2003 bis 2007 aufgenommen wurden. Es wurde die volle integrierte Luminosität von HERA-II von 376 pb −1 verwendet. Der ZEUS-Detektor ist sensitiv auf die Entstehung von Beauty-Endzuständen, da der Detektor eine zylindrische Geometrie besitzt und in der Lage war, Myonen mit geringen transversalen Impulsen nachzuweisen. In diesem Teil der Arbeit werden Messungen der Beauty-Produktion anhand des Prozesses ep → e'bbX → e'μμX untersucht. Dank des HERA-II Detektor-Upgrades konnten Sekundärvertex-Informationen genutzt werden, um die Beauty- und Charm-Anteile des Prozesses eindeutig identifizieren zu können. Durch die Analyse war es möglich, den totalen, sichtbaren und differentiellen Wirkungsquerschnitt für die Beauty-Produktion in diesem Prozess aus den Daten zu extrahieren. Die Wirkungsquerschnitte werden mit QCD-Rechnungen in nächstführender Ordnung verglichen.
Neben den Beauty-Ereignissen können auch Instanton-Ereignisse oder durch Instantonen ausgelöste Ereignisse mit Schweren Quarks ursächlich für nicht isolierte Myon-Paare mit gleichem oder ungleichem Vorzeichen sein. Die hier gezeigte Datenanalyse schloss Instantonen auf Basis der QCDINS Vorhersagen mit ein. Die analysierten Daten enthielten keinerlei Hinweise auf Instanton-induzierte Ereignisse.
Der Schwerpunkt im zweiten Teil der Analyse ist die Ausrichtung der Komponenten des CMS-Spurdetektors. Die verwendeten Daten stammen von Kosmischen Datensätzen, die vom CMS-Detektor am Large Hadron Collider im Jahr 2012 aufgenommen wurden. In diesem Teil werden Messungen der schwachen Moden (“weak modes”) zur Ausrichtung des Spurdetektors besprochen, sowie detaillierte Untersuchungen zum “z-rescaling” vorgestellt. Die Untersuchungen beinhalten auch die Simulation dieser schwachen Moden, sowie die Implementierung der Ausrichtungsprozedur Anhand der Simulationsergebnisse. Aus den hier gezeigten Ergebnissen ist ersichtlich, dass die Ausrichtungsprozedur für den CMS Spurdetektor stabil ist gegenüber den drei schwachen Moden: “Twist, Sagitta und Telescope”, was für drei Typen systematischer Abweichungen der CMS-Spurdetektorgeometrie steht. Das “z-rescaling” zeigt starke unerwartete Verschiebungen einiger Detektorkomponenten in z-Richtung. Um dieses Problem näher zu untersuchen, wurde eine signifikante Anzahl an Tests durchgeführt, unter anderem: Nur “high level”-Ausrichtung, Ausrichtung mit fixierten Endkappen, Einfluss der p T -Abhängigkeit der Spuren auf die Ausrichtungsprozedur, Simulation von kosmischen und Kollisionsereignissen, Beschränkungen auf die Position der TID, TEC Endkappen-Scheiben und einige andere Tests.
Obwohl dies leider nicht genügte, um die Problematik vollständig zu lösen, waren die Untersuchungen, die Teil der hier vorgestellten Doktorarbeit sind, in sich konsistente und wichtige Schritte, die das Problem besser beschreiben und als Grundlage dienen, diese Probleme in der Zukunft lösen zu können.
Die Spur-Helix-Parametrisierung sowohl der ZEUS-, wie auch CMS-Daten wurde untersucht. Eine detaillierte Beschreibung der Parametrisierung, wie auch der Transformation des CMS Formats ins ZEUS-Format wird vorgestellt. Zusätzlich wurde eine Analyse der CMS Daten zum B → J/ψK Zerfall begonnen. Die Analyse wurde mit den öffentlichen Daten des CMS-Experiments aus dem Jahr 2010 durchgeführt. Dies kann als erster Schritt hin zu einer Messung des totalen Beauty-Wirkungsquerschnittes bei CMS, auf Basis der Erkenntnisse der hier vorgestellten Datenanalyse der ZEUS-Messungen, gesehen werden.
Kurzfassung auf Englisch: This thesis is logically divided into two main parts. The first part present a ZEUS analysis which was performed on the data obtained from electron-proton collisions measured by the ZEUS detector for the 2003-2007 running period. The full HERA-II integrated luminosity of
376 pb −1 is used. The ZEUS detector is sensitive to the full phase space of beauty production, since it has cylindrical geometry, covers a wide rapidity range and was able to measure low transverse momentum muons. In this part a measurement of beauty production was studied via the process ep → e'bb̄X → e'μμX. Making full use of the HERA-II detector upgrade, secondary vertex information was used to constrain the beauty and charm contribution to this process. The result of this analysis is the measurement of the total, visible and differential cross sections for beauty production. The cross sections are compared to next-to-leading order QCD calculations.
Similar to the beauty events, instanton or instanton-induced events involving heavy flavour can also be a source for non-isolated, both like- and unlike-sign muon pairs. In this analysis, instantons were studied with using QCDINS predictions. The data show no indication for instanton-induced events.
The second part is related to CMS tracker alignment. It uses collision and cosmic data samples obtained by the CMS detector at the Large Hadron Collider in 2012. This part consists of studies of the CMS tracker alignment weak modes and a detailed study of the “z-rescaling” weak mode. The CMS tracker alignment weak mode study includes the simulation of the weak modes, and the alignment implementation on top of such simulation. This study shows that the alignment procedure of the CMS tracker is stable with regard to the three weak modes: “Twist, Sagitta and Telescope” which stand for three types of systematic shifts of the CMS tracker. The “z-rescaling” weak mode shows a strong and unexpected shift of some tracker detector components in the z direction. To study the issue, a significant number of tests such as “high level structure” alignment only, alignment with fixed end caps, impact of the p T dependence of the tracks on the alignment procedure, the simulation of cosmic data as collision data, introducing TID , TEC end cap disk constraints and other important tests were performed. Even though this issue was not yet fully solved, the studies performed in this thesis show consistent and detailed steps that help to better understand the issue and solve it in the future.
The track helix parametrisation of both the ZEUS and CMS experiments was studied. A checked, detailed description of such parametrisation as well as its transformation from the CMS format into the ZEUS format is performed. In addition, a CMS physics analyses of B → J/ψK decays was started. These studies were performed with the CMS “open data” for the 2010 time period. Logically this can be seen as a first step towards a measurement of the total beauty cross section in CMS in the same spirit as the one performed with the ZEUS data.

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