Jet Energy Measurements at ILC : Calorimeter DAQ Requirements and Application in Higgs Boson Mass Measurements

Abstract

The idea of spontaneous symmetry breaking as the mechanism through which elementary particles gain mass has been confirmed by the discovery of the Higgs boson at the CERN Large Hadron Collider. Studying the Higgs boson properties are of great importance to verify the Standard Model predictions. Any deviation from these predictions could uncover physics beyond the Standard Model. The mass of the Higgs boson is one of the important parameters of the Standard Model. The precise determination of the Higgs boson mass is of interest in its own right and also for other Higgs physics studies since it enters as parametric uncertainty into the extraction of the partial width from branching ratio measurements.The International Linear Collider (ILC) is a future polarised e+e- collider designed for precision physics studies. The Higgs boson decay to a pair of bottom quarks H->bb has the largest branching ratio of all Higgs decays, providing a large dataset for physics analyses. The possibility of measuring the Higgs boson mass in the e+e- -> ZH -> qqbb channel is investigated in this thesis for centre-of-mass energies of 350 GeV and 500 GeV.Since the Higgs boson mass is reconstructed from two b jets, the jet energy resolution hasa high impact on the measurement. A new method to estimate the jet energy resolution for each jet individually is developed in this thesis. The jet-specific energy resolution is then used in the analysis for the Higgs boson mass measurements. Various strategies for the Higgs boson mass measurement are investigated. For an integrated luminosity of 1000 fb^{-1} and a beam polarisation of (-0.8,+0.3), statistical uncertainties of 42 MeV and 89 MeV are achieved for the centre-of-mass energies of 350 GeV and 500 GeV, respectively. Various sources of systematic uncertainties are also discussed.These results are obtained using a full GEANT4-based simulation of the International Large Detector (ILD) concept. The jet energy resolution required for the Higgs boson mass measurement can only be achieved using the particle flow approach to reconstruction. The particle flow approach requires highly-granular calorimeters and a highly efficient tracking system. The CALICE collaboration is developing highly-granular calorimeters for such applications. One of the challenges in the development of such calorimeters with millions of read-out channels is their Data Acquisition System (DAQ) system. The second part of this thesis involves contributions to development of a new DAQ system for the CALICE scintillator calorimeters. The new DAQ system fulfills the requirements for the prototypes tests while being scalable to larger systems. The requirements and general architecture of the DAQ system is outlined in this thesis. The new DAQ system has been commissioned and tested with particle beams at the CERN Proton Synchrotron test beam facility in 2014,results of which are presented here.

Die Idee der spontanen Symmetriebrechung, durch die Elementarteilchen Masse erwerben, wird durch die Entdeckung des Higgs-Bosons am CERN Large Hadron Collider bestätigt. Untersuchungen der Eigenschaften des Higgs-Bosons sind von großer Bedeutung, um die Vorhersagen des Standardmodells zu überprüfen. Jede Abweichung von diesen Vorhersagen könnte Physik jenseits des Standardmodells aufdecken. Die Masse des Higgs-Bosons ist einer der wichtigen Parameter des Standardmodells. Eine präzise Bestimmung der Higgs-Boson-Masse ist an sich und auch für andere Higgs-Physikstudien von Interesse da sie als parametrische Unsicherheit in die Extraktion der Partialbreite aus Messungen des Verzweigungsverhältnisses eingeht. Der International Linear Collider (ILC) ist ein zukünftiger polarisierter e+ e− Collider für Präzisionsphysik-Studien. Der Higgs-Boson-Zerfall in ein Bottom- und ein Anti-Bottom-Quark hat das größte Verzweigungsverhältnis aller Higgs-Zerfälle. Daeher bietet er einen großen Datensatz für Physikanalysen. In dieser Arbeit wird die Möglichkeit der Messung der Higgs-Boson-Masse am ILC im Kanal e+e− -> ZH -> qqbb für die Schwerpunktsenergien von 350 GeV und 500 GeV untersucht. Da die Higgs-Boson-Masse aus zwei b Jets rekonstruiert wird, hat die Jetenergieauflösung einen großen Einfluss auf diese Messung. Eine neue Methode zur Abschätzung der individuellen Jetenergieauflösung für jeden Teilchenjet wird in dieser Arbeit entwickelt. Die jetspezifische Energieauflösung wird dann in der Analyse zur Messung der Higgs-Boson-Masse verwendet. Es werden verschiedene Strategien für die Bestimmung der Masse mit kinematischen Fits untersucht. Für eine integrierte Luminosität von 1000 fb−1 und eine Strahlpolarisation von (−0.8,+0.3) werden statistische Unsicherheiten von 42 MeV und 89 MeV für die Schwerpunktsenergien von 350 GeV bzw. 500 GeV erreicht. Verschiedene Quellen systematischer Unsicherheiten werden diskutiert. Für diese Studie wird eine vollständige Geant4-Simulation das International Large Detector (ILD) Konzepts verwendet. Die für die Higgs-Boson-Massenmessung erforderliche Jetenergieauflösung kann nur mit dem Particle Flow Ansatz zur Ereignisrekonstruktion erreicht werden. Particle Flow Algorithmen erfordern Kalorimeter mit hoher Granularität und ein sehr effizientes Trackingsystem. Die CALICE-Kollaboration entwickelt Kalorimeter mit hoher Granularität für solche Anwendungen. Eine der Herausforderungen bei der Entwicklung solcher Kalorimeter mit mehreren Millionen Kanälen ist ihre Datenauslese. Der zweite Teil dieser Arbeit beinhaltet Beiträge zur Entwicklung eines neuen Datenauslesesystems für die CALICE-Szintillator-Kalorimeter. Das neue Auslesesystem erfüllt die Anforderungen für Tests von Kalorimeter-Prototypen, während es auf größere Systeme skalierbar ist. Die Anforderungen und die allgemeine Architektur des Datennahmesystem werden in dieser Arbeit skizziert. Das neue Datennahmesystem wurde im Jahr 2014 bei Teststrahl-Messungen am CERN Proton Synchrotron in Betrieb genommen und getestet. Die Ergebnisse sind hier dargestellt.