Alignment of the ATLAS Inner Detector and Single Top studies

211 Pages·2015·7.04 MB·English

Alignment of the ATLAS Inner
Detector and Single Top studies
Vicente Lacuesta Miquel
Doctoral Thesis under the supervision of
Salvador Mart´ı i Garc´ıa
and
Jose Enrique Garc´ıa Navarro
Doctorado en F´ısica
Valencia, Septiembre 2015
Facultat de F´ısica
Departament de F´ısica Ato`mica, Molecular i Nuclear
Universitat de Val`encia

El Dr. Salvador Mart´ı i Garc´ıa y el Dr. Jose Enrique Garc´ıa Navarro y,
Investigador Cient´ıfico y Contratado Ramo´n y Cajal, respectivamente, del CSIC
CERTIFICAN:
Que la presente memoria, “Alignment of the ATLAS Inner Detector and
Single Top studies”, ha sido realizada bajo nuestra direccio´n en el Departament de
F´ısica At`omica, Molecular i Nuclear de laUniversitat de Val`encia porVicente Lacuesta
Miquel y constituye su tesis para optar al grado de doctor en F´ısica por la Universitat
de Val`encia.
Y para que conste, en cumplimiento de la legislaci´on vigente, firmamos el presente
Certificado en Burjassot a 24 de Septiembre de 2015.
Dr. Salvador Mart´ı i Garc´ıa Dr. Jose Enrique Garc´ıa Navarro

Declaration
This dissertation is the results of my own work, except where explicit reference is
madetotheworkofothers,andhasnotbeensubmittedforanotherqualificationtothis
or any other university.
Vicente Lacuesta Miquel

Contents
1 Theoretical motivations 11
1.1 The Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.1 The fundamental fermions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.2 The fundamental interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.3 The Standard Model (SM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.4 Quantum Electrodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.5 Electro Weak (EW) interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1.6 Spontaneous Symmetry Breaking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1.7 Quantum Chromodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.1.8 Standard Model measurements in the LHC experiments . . . . . . 18
1.2 Beyond the Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.1 Problems of SM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.2 SUSY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3 Single Top . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 CERN, LHC and the experiments 25
2.1 CERN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 CERN accelerator complex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.2 LHC experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 The A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS) experiment . . . . . . . . . . . 31
2.3.1 The Inner Detector (ID) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.2 The calorimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.3 MS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.4 ATLAS Magnet System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.5 Trigger and Data Acquisition and Computing (DAQ) . . . . . . . 36
2.4 The Inner Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.1 Pixel detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4.2 SCT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4.3 TRT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.4.4 The solenoid magnet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.4.5 Material distribution of the ID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7
8 CONTENTS
3 Inner Detector Alignment Basics 49
3.1 Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.1 ATLAS tracking model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.2 Track reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.1.3 Track parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.1.4 Residuals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2 Alignment algorithm implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2.1 Track-basedalignment algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.2 Globalχ2 formalism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.3 Localχ2 formalism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.4 Derivatives of the residuals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.5 Globalχ2 algorithm with track parameter constraints . . . . . . . . 66
3.2.6 Application of track parameter constraints. . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.7 Globalχ2 algorithm with alignment parameter constraints . . . . . 73
3.2.8 Application of alignment parameter constraints . . . . . . . . . . . 74
3.3 Centre-of-Gravity Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.4 Alignment systematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.4.1 Charge-antisymmetric deformations . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.4.2 Charge-symmetric deformations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.4.3 The B-field orientation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4.4 Bias on the transverse impact parameter. . . . . . . . . . . . . . . 80
4 Inner Detector Alignment performance 83
4.1 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.1.1 Athena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.1.2 Alignment script runner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2 Alignment studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.1 Initial Cosmic alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.2 900 GeV collision alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2.3 7 TeV collision alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3 Alignment performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3.1 Residuals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3.2 Study of alignment-related systematic effects . . . . . . . . . . . . 99
4.4 Run by run alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5 AFBT measurement 119
5.1 Data and simulated samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2 Object definition and event selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.2.1 Event pre-selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.2.2 Event selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.3 Backgroundestimation and event yields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.3.1 Estimation of the multijet background . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.3.2 Estimation of the W+jets background . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.3.3 Event Yields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.4 Measurement of the forward-backwardasymmetry AT . . . . . . . . . . 133
FB
5.4.1 Distortions of the angular distribution cosθT . . . . . . . . . . . . 134
CONTENTS 9
5.4.2 Unfolding to parton level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.4.3 Unfolded data distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.5 Systematic uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.6 Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6 Resumen 147
6.1 Motivaciones te´oricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.1.1 El modelo esta´ndar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.1.2 Single Top. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
6.2 El CERN, LHC y los experimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.2.1 El Gran Colisionador de Hadrones . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.2.2 Experimentos del LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.2.3 El experimento ATLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.2.4 El Detector Interno de trazas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.3 Alineamiento del detector interno de trazas . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
6.3.1 Algoritmo de alineamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.3.2 Sistem´aticos del alineamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.4 Rendimiento del alineamiento del detector interno de trazas . . . . . . . . 161
6.4.1 Alineamiento inicial con rayos co´smicos . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.4.2 Alineamiento con colisiones a 900 GeV . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.4.3 Alineamiento con colisiones a 7 TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.4.4 Comparaci´on de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.4.5 Estudio de los efectos sistema´ticos relacionados con el alineamiento163
6.4.6 Alineamiento run a run. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.5 Medida de AFBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.5.1 Datos y muestras simuladas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.5.2 Definici´on de objetos y seleccio´n de eventos . . . . . . . . . . . . . 168
6.5.3 Estimacio´n del fondo y producci´on de eventos. . . . . . . . . . . . 171
6.5.4 Medida de la asimetr´ıa adelante-atr´as AT . . . . . . . . . . . . . 173
FB
6.5.5 Incertidumbres sistema´ticas.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.5.6 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
Appendices 177
A Reconstruction of the top quark 179
A.1 Determination of the longitudinal momentum of the neutrino . . . . . . . 179
A.2 Top quark mass reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
B Control Plots 183
B.1 Control Plots for the signal region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
B.2 Control Plots for the top quark pair control region . . . . . . . . . . . . . 189
B.3 Control Plots for the W+jets control region . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
10 CONTENTS
C Estimation of the W+jets flavour composition 193
C.1 Measurement of AFBT for each lepton channel . . . . . . . . . . . . . . . 198
C.1.1 Distortions of the angular distribution cosθT . . . . . . . . . . . . 198
C.1.2 Unfolded data distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Acronyms 201
Bibliography 205