Cosmic test stand studies with a small-strip thin gap chamber of the ATLAS New Small Wheel (NSW) upgrade and measurement of the tt̅H(H→bb̅) process at 13 TeV with the ATLAS detector

Abstract: The work presented in this thesis encompasses two parts, performed as part of the ATLAS Collaboration.
In preparation for the High-Luminosity LHC upgrade, the New Small Wheels were installed in 2022 as part of the muon spectrometer of the ATLAS detector. In the first part of this thesis, one of the detector technologies of the NSW, the small-strip Thin Gap Chambers (sTGCs), was studied. They are operated with a high voltage (HV) of 2800 V and an operational gas mixture of CO 2 :C 5 H 12 at a ratio of 55%:45%. A dedicated cosmic muon test stand was constructed with a small sTGC to study the response of the detector to HV and gas concentration variations. Different readout parameters were also investigated. A large sTGC was tested with a muon beam in a high background environment. A simulation of an sTGC was produced to provide an expectation for the physical setups. The comparison of the variation of high voltage settings was used to validate the methodologies presented and the custom gas system of the local setup could then be exploited to provide the first dedicated study of the effect of operational gas on the signal response. It was found that a change in C 5 H 12 concentration of ±5% results in a signal shift relative to the nominal gas setting of ∓7.9%, on average. Furthermore, exceptional analog signal effects appearing in analog data were studied in the local setup. Two effects were examined, each appearing in 0.5% of all data events. These are not discoverable explicitly in digital data. However, one will affect the dead time of detectors and the other will provide additional hits due to the induction of signals across neighbouring pads.
In the second part of this thesis, a measurement of the signal strength and cross section of the ttH process was performed with proton-proton collision data collected by the ATLAS detector during Run 2 of the LHC. Events were selected targeting the H → bb decay channel and őnal states with one or two leptons. Several signal-enriched and signal-depleted regions were deőned and events were categorised into them using a neural network approach. The measurement was conducted by performing a binned profile likelihood fit to the data, using a template produced through the modelling of the signal and backgrounds. The modelling of the fake lepton background for the single-lepton channel was studied in depth for this thesis. The signal strength was measured as μ ttH = 0.81 +0.22 −0.19 with an observed (expected) significance of 4.7 (5.4). The measured cross section was found to be σ ttH = 405 +100 −90 fb, which is in agreement with the theoretical expectation, assuming the standard model. This measurement is dominated by systematic uncertainties, in particular in the modelling of the tt+jets background. This is a re-analysis of Run 2 data performed in alignment with the Simplified Template cross Section (STXS) formalism and with major improvements in signal acceptance, background modelling, and event categorisation with respect to the previous analysis, allowing for a reduction in both statistical and systematic uncertainties. The overall uncertainty was reduced by almost 40%
Abstract: Diese Dissertation umfasst zwei Teile, die im Rahmen der ATLAS-Kollaboration durchgeführt wurden. Im Hinblick auf das Upgrade des High-Luminosity LHC wurden 2022 die New Small Wheels (NSWs) als Teil des Myonspektrometers des ATLAS-Detektors installiert. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde eine der Detektortechnologien der NSWs, die Small-Strip Thin Gap Chambers (sTGCs), untersucht. Diese Detek- toren werden mit einer Hochspannung (HV) von 2800 V und einer Gasmischung aus CO 2 und C 5 H 12 , im Verhältnis von 55%:45% betrieben. Mit einem solchen sTGC wurde ein Testaufbau zur Detektion kosmis- cher Myonen realisiert, um die Einŕüsse von HV- und Gaskonzentrationsvariationen auf die Messsignale zu untersuchen. Zusätzlich wurde der Effekt verschiedener Ausleseparameter untersucht. Ein großes sTGC- Modul wurde in einem Myonenstrahl unter hoher Hintergrundstrahlung getestet. Eine Simulation einer sTGC-Lage wurde erstellt, um eine Vorhersage für die physikalischen Aufbauten zu liefern. Der Vergle- ich der Ergebnisse bei Variation der Hochspannungseinstellung diente zur Validierung der verwendeten Methodiken, und das einzigartige Gassystem des Testaufbaus konnte dann genutzt werden, um die er- ste dedizierte Studie des Effekts des Betriebs-Gases auf das Signalverhalten durchzuführen. Es wurde festgestellt, dass eine Änderung der C 5 H 12 Konzentration von ±5% zu einer Signalverschiebung relativ zur nominalen Gaseinstellung von durchschnittlich ∓7,9% führt. Darüber hinaus wurden außergewöhnliche analoge Signaleffekte in den analogen Daten des lokalen Setups untersucht. Zwei Effekte wurden analysiert, die jeweils in 0,5% aller Datenereignisse auftreten. Diese sind in digitalen Daten nicht explizit erkennbar. Einer der Effekte beeinŕusst die Totzeit der Detektoren, während der andere zusätzliche Signale durch die Induktion von Ladung auf benachbarten Pads verursacht.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde eine Messung der Signalstärke und des Wirkungsquerschnitts des ttH Prozesses mit Proton-Proton-Kollisionsdaten durchgeführt, die während Run 2 des LHC vom ATLAS- Detektor gesammelt wurden. Es wurden Ereignisse ausgewählt, die dem H → bb Zerfallskanal und Endzuständen mit ein oder zwei Leptonen zuzuordnen sind. Mehrere signalreiche und signalarme Re- gionen wurden deőniert und Ereignisse mittels eines neuronalen Netzwerk-Ansatzes in diese kategorisiert. Zur Evaluierung der Daten wurde ein Binned Proőle Likelihood Fit auf diese angewandt welcher ein Template verwendet, das durch die Modellierung von Signal und der Hintergrund erzeugt wurde. Die Modellierung des Fake-Lepton-Hintergrunds für den Einzel-Lepton-Kanal wurde in dieser Dissertation eingehend untersucht. Die Signalstärke wurde als μ ttH = 0.81 +0.22 −0.19 ermittelt, mit einer beobachteten (er- warteten) Signiőkanz von 4.7 (5.4). Der gemessene Wirkungsquerschnitt betrug σ ttH = 405 +100 −90 fb, was im Einklang mit der theoretischen Erwartung unter Annahme des Standardmodells steht. Das Ergeb- niss wird von systematischen Unsicherheiten dominiert, deren Ursprung insbesondere in der Modellierung des tt+Jets-Hintergrunds liegt. Diese Arbeit ist eine erneute Analyse der Run 2 Daten, die im Einklang mit dem Simpliőed Template Cross Section (STXS) Formalismus durchgeführt wurde und bedeutende Verbesserungen bei der Signalakzeptanz, der Hintergrundmodellierung und der Ereigniskategorisierung im Vergleich zu vorherigen Analysen aufweist, was eine Reduktion sowohl der statistischen als auch der systematischen Unsicherheiten ermöglichte. Die Gesamtunsicherheit wurde um fast 40% reduziert

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Englisch
• Notes: Universität Freiburg, Dissertation, 2024

Classification and Topics

• Keyword: ATLAS ; Elementarteilchenphysik ; Higgs-Teilchen ; LHC

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2024
• Creator: Solovieva, Ksenia
• Contributor: Landgraf, Ulrich ; Gersabeck, Marco ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Mathematik und Physik

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/258708
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2587089
• Rights: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 15.08.2025, 7:35 AM CEST