Commissioning of the CMS muon detector and development of generic search strategies for new physics

Biallass, Philipp Alexander; Hebbeker, Thomas

doi:29363

Commissioning of the CMS muon detector and development of generic search strategies for new physics = Inbetriebnahme des CMS-Myon-Detektors und Entwicklung einer generischen Suchstrategie nach neuer Physik

Biallass, Philipp Alexander

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Philipp Alexander Bialass

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

Umfang166 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zusammenfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Hebbeker, Thomas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-03-27

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-27593
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50694/files/Biallass_Philipp.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elementarteilchenphysik (Genormte SW) ; LHC (Genormte SW) ; CERN (Genormte SW) ; CMS (Genormte SW) ; Datenanalyse (Genormte SW) ; Physik (frei) ; modellunabhängige Suche (frei) ; kosmische Myonen (frei) ; CMSCGEN (frei) ; MUSiC (frei) ; model-independent search (frei) ; cosmic muon generator (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Der Nachweis und die Rekonstruktion kosmischer Myonen sind essentiell für die Inbetriebnahme und das Alignment des Compact Muon Solenoid Experimentes (CMS), sowohl in der Zeit vor als auch während der ersten Proton-Proton Kollisionen. In diesem Zusammenhang war der Magnet Test/Cosmic Challenge (MTCC) eine Art Generalprobe für die Detektor-Hardware und die Rekonstruktions-Software. Es wurden hierfür umfassende Datennahmen kosmischer Myonen durchgeführt und auch erstmals das enorme Magnetfeld angeschaltet. Ein zentraler Punkt einer physikalischen Datenanalyse ist immer auch der Vergleich mit simulierten Ereignissen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird daher ein neuer kosmischer Myon-Generator vorgestellt, CMSCGEN. Seine Richtigkeit wird an Hand von Vergleichen mit Daten vom MTCC durchgeführt und es werden hierfür erstmals Daten-Monte Carlo Vergleiche mit dem zentralen Myon System gezeigt, angefangen von einzelnen Zelltreffern bis hin zu ersten rekonstruierten Spurmessungen mit Impulsvorhersage. Da Leptonen (Elektronen, Myonen) sehr klare Signaturen für Signale neuer Physik haben, sind diese Detektortest- und Alignment-Strategien auch unerlässlich für die meisten Physik-Analysen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird eine modellunanhängige Suchstrategie für Signale neuer Physik in CMS vorgestellt, ein Ansatz der Ereignisse mit Leptonen benutzt und nur die Kenntnis des Standard Modell Untergrundes voraussetzt. Durch diese Vermeidung einer theoretischen Voreingenommenheit ist man so sensitiv auf eine Vielzahl von Modellen, inklusive solcher noch nicht erfundener Szenarien. In dieser Machbarkeitsstudie werden die Ereignisse geordnet anhand des Teilcheninhaltes (Myonen, Elektronen, Photonen, Jets, fehlende Energie) und in sogenannten Ereignisklassen gruppiert. Ein umfassender Scan verschiedener kinematischer Verteilungen wird durchgeführt, in dem signifikante Abweichungen vom SM Monte Carlo identifiziert werden. Hierbei wird die Wichtigkeit der systematischen Unsicherheiten betont, die sorgfältig im Suchalgorithmus berücksichtigt und eingebaut werden. Mehrere theoretische SM Erweiterungen wie z.B. Supersymmetrie und neue schwere Eichbosonen werden untersucht, genauso wie mögliche Detektor-Effekte und Generator-Schwierigkeiten. All diese Beispiele demonstrieren die weiten Anwendungsmöglichkeiten dieses Such-Algorithmus und sie zeigen auf, wie dieser Ansatz die eher traditionellen Modell-spezifischen Suchen ergänzt.

The detection and reconstruction of cosmic muon rays is important for the commissioning phase and alignment of the Compact Muon Solenoid experiment (CMS), in particular during the early phases of operation with physics collisions. In this context the Magnet Test/Cosmic Challenge (MTCC) with its comprehensive cosmic data taking periods including the presence of the magnetic field has been like a dress rehearsal of detector hardware and software for the upcoming start-up of the CMS detector. In addition to data taking also the comparison with simulated events is a crucial part of physics analyses. The first part of this thesis introduces a new cosmic muon generator, CMSCGEN, and it presents its validation by comparing its predictions with data from MTCC. As an example, results from a reconstruction study using the barrel muon system are shown, comparing data and Monte Carlo prediction at the level of single chambers up to reconstructed tracks including momentum measurements. Since leptons (electrons, muons) constitute very clean signatures for signals of new physics these commissioning and alignment procedures are also vital to most physics analyses. In the second part of this thesis a model independent search approach for new physics within CMS is presented, utilizing events with leptons and relying only on the knowledge of the Standard Model simulation. Such an analysis can contribute to the understanding of the detector and the tuning of the event generators. Due to the absence of a theoretical bias this approach is sensitive to a variety of models, including those not yet thought of. Within this feasibility study events are classified according to their particle content (muons, electrons, photons, jets, missing energy) into so called event classes. A broad scan of various distributions is performed, identifying significant deviations from the SM Monte Carlo simulation. The importance of systematic uncertainties is outlined, which are taken into account rigorously within the search algorithm. Several theoretical models such as Supersymmetry and new heavy gauge bosons as well as possible detector effects and generator issues have been fed into the search algorithm as benchmark scenarios to demonstrate its capabilities. Thus this approach supplements the traditional model-driven searches.

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