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Bibliographic Metadata

Title
Measurement of charged-particle distributions in proton--proton interactions at s = 8 TeV with the ATLAS detector at the LHC / Wolfgang Lukas
Additional Titles
Measurement of charged-particle distributions in proton--proton interactions at Wurzel aus s = 8 TeV with the ATLAS detector at the LHC
AuthorLukas, Wolfgang
Thesis advisorKneringer, Emmerich ; Rudolph, Gerald
PublishedGraz, August 16, 2016
DescriptionXX, 237 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Institutional NoteUniversity of Innsbruck, Dissertation, 2016
Date of SubmissionAugust 2016
LanguageEnglish
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Quantenchromodynamik / QCD / Soft QCD / Minimum Bias / pp-Kollisionen / ATLAS / LHC / Monte-Carlo-Simulation / MC-Generatoren / Spurrekonstruktion
Keywords (EN)Quantum Chromodynamics / QCD / Soft QCD / Minimum Bias / pp collisions / ATLAS / LHC / Monte-Carlo-simulation / MC-generators / Track reconstruction
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-23820 Persistent Identifier (URN)
Restriction-Information
 The work is publicly available
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Measurement of charged-particle distributions in proton--proton interactions at s = 8 TeV with the ATLAS detector at the LHC [16.13 mb]
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Abstract (German)

Der überwiegende Anteil von ProtonProton -Wechselwirkungen am LHC kann durch inelastische Soft-QCD-Prozesse beschrieben werden, welche durch einen geringen Impulstransfer zwischen den Partonen charakterisierbar sind. Diese Gruppe von Wechselwirkungen lässt sich jedoch nicht mittels Störungstheorie berechnen und muss stattdessen durch phänomenologische Modelle beschrieben werden, deren Parameter man durch Vergleiche mit experimentellen Daten feinabstimmt und somit an die experimentellen Ergebnisse angleicht. Hierzu werden Messungen von hadronischen Endzuständen der Teilchenkollisionen herangezogen, welche als Verteilungen von stabilen geladenen Primärteilchen dargestellt werden. Zu diesem Zweck werden aus den gemessenen Daten zunächst Verteilungen von Observablen rekonstruierter Kollisionsereignisse und Teilchenspuren extrahiert. Diese müssen sodann korrigiert und entfaltet werden, um Detektoreffekte wie Ineffizienzen der Datenselektion und -rekonstruktion, Migrationseffekte sowie Kontaminationen durch Messuntergründe zu kompensieren. Einige dieser Korrekturen werden aus komplexen Monte-Carlo-Simulationen gewonnen, indem man die aus den phänomenologischen Modellen erzeugten Teilchen, ihre Wechselwirkung mit dem Detektor und die daraus resultierenden Detektorsignale simuliert und auswertet. Die dominante Quelle systematischer Unsicherheiten dieser Messung besteht in der Unsicherheit der zur Simulation verwendeten Geometrie- und Materialbeschreibung des Detektors.

Die vorliegende Arbeit beschreibt zunächst die erfolgreichen Bemühungen, detaillierte Kenntnis über die Materialverteilung des inneren ATLAS -Spurdetektors zu gewinnen und damit das für Simulationen verwendete Detektormodell weiter zu präzisieren, wodurch eine deutliche Verringerung des Beitrags aus dieser Quelle systematischer Unsicherheiten ermöglicht wird. Auf dieser Grundlage wird eine Präzisionsmessung von Verteilungen geladener Primärteilchen aus experimentellen Daten durchgeführt, die mit dem ATLAS -Detektor im Jahr 2012 bei Teilchenkollisionen mit einer Massenschwerpunktsenergie von s = 8 TeV unter Verwendung eines Minimum-Bias-Triggers und unter speziellen experimentellen Bedingungen bei geringer Luminosität aufgezeichnet wurden. Für die Resultate dieser Studie wird die höchste Präzision aller vergleichbaren Messungen von ATLAS aus der Run-1-Datenaufzeichnungsperiode des LHC (2009-2013) angestrebt. Ergebnisse werden in fünf verschiedenen Regionen von Teilchenkinematik und -multiplizität dargestellt, wobei die untere Grenze der transversalen Teilchenimpulse mit pT > 100 und 500 MeV definiert wird. Zwei Phasenräume mit hohen Teilchenmultiplizitäten werden dabei erstmalig von ATLAS gemessen und erweitern somit Geltungsbereich und Aussagekraft der Studie. Hadronische Endzustände werden schließlich als Verteilungen von Multiplizität, Pseudorapidität und Transversalimpuls der geladenen Primärteilchen präsentiert, wobei große Sorgfalt auf die Ermittlung und Darstellung systematischer und statistischer Unsicherheiten gelegt wird. Die Ergebnisse werden mit Vorhersagen verschiedener phänomenologischer Modelle verglichen und liefern so eine wertvolle Grundlage für deren künftige weitere Verbesserung und Feinabstimmung der Modellparameter. Die vorliegende Arbeit trägt somit auch zu einem verbesserten theoretischen Verständnis des Soft-QCD-Sektors der Teilchenphysik bei.

Abstract (English)

The majority of protonproton interactions at the LHC can be described as inelastic soft-QCD processes, characterised by a small momentum transfer between their constituents. These interactions cannot be calculated from first principles with perturbation theory, and must hence be described by phenomenological models that are improved by tuning their parameters against experimental data. Measurements of the hadronic final states, presented as distributions of stable primary charged particles that were produced in the hadron collisions, can be used as an input for the tuning. To this end, distributions of reconstructed events and tracks are extracted from the recorded collision data, which must be corrected and unfolded to account for detector effects such as selection and reconstruction inefficiencies, migration effects and background contaminations. Some of these corrections are derived from Monte Carlo simulations of the full detector response to the particles that were generated by the phenomenological models. The dominant source of systematic uncertainty in this measurement is found to be the uncertainty of the material description used in the simulation.

This thesis describes the successful efforts to improve the detailed material description of the inner tracker of ATLAS, resulting in a more accurate simulation geometry with significantly better constraints on this dominant source of systematic uncertainty. Building upon this knowledge, the measurement of primary- charged - particle distributions is performed on data recorded in 2012 with the ATLAS detector at s = 8 TeV centre-of-mass energy, utilising a minimum-bias trigger and a special low-luminosity experimental setup. This study aims to achieve the highest precision of all ATLAS minimum-bias measurements from the Run-1 data-taking period of the LHC between 2009 and 2013. Results are obtained in five different regions of particle kinematics and multiplicity, with transverse-momentum thresholds of pT > 100 and 500 MeV. Among these , two high-multiplicity phase-space regions are measured by ATLAS for the first time, thus extending the scope of the measurements . Hadronic final-state distributions of primary- charged - particle multiplicity, pseudorapidity and transverse momentum are presented along with carefully evaluated total systematic and statistical uncertainties. The results are compared to predictions made by various phenomenological models and thus provide valuable constraints for their potential further improvement, while also contributing to a better theoretical understanding of the soft-QCD sector of particle physics.

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