Test Beam Measurements for the Upgrade of the CMS Pixel Detector and Measurement of the Top Quark Mass from Differential Cross Sections

Abstract

In this dissertation, two different topics are addressed which are vital for the realization of modern high-energy physics experiments: detector development and data analysis. The first part focuses on the development and characterization of silicon pixel detectors. To account for the expected increase in luminosity of the Large Hadron Collider, the pixel detector of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment will be replaced by an upgraded detector with new front-end electronics. Comprehensive test beam studies are presented which have been conducted to verify the design and to quantify the performance of the new front-end in terms of tracking efficiency and spatial resolution. The tracking efficiency has been determined to be 99.7 +0.3 -0.5%, while the spatial resolution has been measured to be (4.80 +-0.29) um and (7.99 +-0.23) um along the 100 um and 150 um pixel pitch, respectively. Furthermore, a new cluster interpolation method is proposed which utilizes the third central moment of the cluster charge distribution and achieves improvements of the position resolution of up to 40% over the conventional center of gravity algorithm. In the second part of the thesis, an alternative measurement of the top quark mass is presented. The mass is measured from the normalized differential production cross sections of dileptonic top quark pair events with an additional jet. The measurement is performed on data recorded by the CMS experiment at sqrt(s) = 8 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 19.7 /fb. Using theoretical predictions at next-to-leading in perturbative QCD, the top quark pole mass is measured to be mt(pole) = 168.2 +4.7 -2.1 GeV with a precision of about 2.0%. The measurement is in agreement with other measurements of the top quark pole mass within the assigned uncertainties.

In der vorliegenden Dissertation werden zwei verschiedene Themenbereiche behandelt, die für die Durchführung eines modernen Hochenergie-Teilchenphysik-Experiments unabdingbar sind: Detektorentwicklung sowie Datenanalyse. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Charakterisierung von Silizium-Pixeldetektoren. Der Pixeldetektor des Com,pact Muon Solenoid (CMS) Experiments wird durch einen neuen Detektor mit verbesserter Ausleseelektronik ersetzt, um dem zu erwartenden Anstieg der Luminosität des Large Hadron Colliders Rechnung zu tragen. Um die Funktionalität der neuen Ausleseelektronik zu überprüfen und deren Leistungsfähigkeit in Bezug auf Tracking-Effizienz und Ortsauflösung zu quantifizieren, wurden im Rahmen dieser Arbeit umfangreiche Messungen mit Teststrahlen geladener Teilchen durchgeführt. Die gemessene Tracking-Effizienz beträgt 99.7 +0.3 -0.5%. Zudem konnte eine Ortsauflösung von (4.80 +-0.29) um bzw. (7.99 +-0.23) um entlang der 100 um bzw. 150 um Pixelabmessung erreicht werden. Des Weiteren wird ein neuer Algorithmus zur Korrektur der interpolierten Position des Teilchendurchgangs vorgeschlagen, der das dritte zentrale Moment der Ladungsverteilung im Pixelcluster verwendet und Verbesserungen der Ortsauflösung von bis zu 40% im Vergleich zum konventionellen Center-of-Gravity-Algorithmus erreicht. Im zweiten Teil der Arbeit wird eine alternative Messmethode für die Masse des Top-Quarks vorgestellt. Die Masse wird aus dem normierten differenziellen Wirkungsquerschnitt von Ereignissen mit Top-Quark-Paaren und einem zusätzlichem Jet bestimmt. Die Messung verwendet Daten des CMS-Experiments, die bei einer Kollisionsenergie von 8 TeV aufgenommen wurden und einer integrierten Luminosität von 19.7 /fb entsprechen. Berechnungen mit NLO-Präzision in störungstheoretischer QCD erlauben die Bestimmung der Pol-Masse des Top-Quarks. Die gemessene Masse beträgt mt(pole) = 168.2 +4.7 -2.1 GeV mit einer Präzision von ca. 2.0% und stimmt innerhalb der Unsicherheiten mit anderen Messungen überein.