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Measurement of the inclusive and differential cross-sections for semileptonic ttbb production with the CMS detector at CERN and studies of the readout chip for the phase 2 upgrade of the CMS pixel detector


Molinatti, Umberto. Measurement of the inclusive and differential cross-sections for semileptonic ttbb production with the CMS detector at CERN and studies of the readout chip for the phase 2 upgrade of the CMS pixel detector. 2023, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Contents
1 Introduction 9
2 Experimental Setup 11
2.1 The Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1 Luminosity and Cross-Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 The CMS Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1 Coordinate System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2 Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.3 Calorimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.4 Magnet and Muon System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 The Standard Model 21
3.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Quantum Electrodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3 Electroweak Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4 Quantum Chromodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.5 Full Standard Model Lagrangian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.6 The Higgs Boson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.7 Top and Bottom Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
I Measurement of the Inclusive and Differential Cross-Sections for Semilep-
tonic ttbb Production with the CMS Detector at CERN 31
4 Introduction 32
4.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2 Previous Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2.1 Cross-section Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3 Analysis Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5 Phase Space and Observables 38
5.1 Phase Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.2 Object Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.3 Observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.4 Signal and Background Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6 Object and Event Selection 44
6.1 Trigger Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.2 Event Cleaning and Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.3 Detector-Level Object Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.3.1 Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.3.2 Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.3.3 Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.3.4 B Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.4 Detector-Level Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7 ttB Identification 50
7.1 Signal Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.2 Jet Multiplicity Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.3 Ancillary Observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4
8 Unfolding Strategy 55
8.1 Fit Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
8.1.1 Migration Matrices and Ill-posedness Checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
8.1.2 Absolute and Normalized Differential Cross Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
8.2 Ancillary Observables in Unfolding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
8.3 Fit Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
8.3.1 Fits to Asimov Toy Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
8.3.2 Frequentist Toy Fits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
8.3.3 Fits to Alternative Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
9 Systematic Uncertainties 74
10 Results 79
10.1 Inclusive Fiducial Cross-Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
10.2 Normalized Differential Cross Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
11 Analysis Summary 90
II Studies of the Readout Chip for the Phase 2 Upgrade of the CMS Pixel
Detector 92
12 Inner Tracker Upgrade 93
12.1 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
12.2 RD53 Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
13 Serial Powering Tests 97
13.1 Undershunt Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
13.1.1 Series Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
13.1.2 Parallel Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
13.2 Overvoltage Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
13.2.1 Parallel Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
13.2.2 Series Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
13.3 Comparison and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
14 Radiation Testing 106
14.1 Irradiation Campaign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
14.2 Voltage Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
14.3 Ring Oscillator Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
14.4 ADC Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
14.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
15 Conclusions and Outlook 114

Abstract

Contents
1 Introduction 9
2 Experimental Setup 11
2.1 The Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1 Luminosity and Cross-Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 The CMS Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1 Coordinate System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2 Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.3 Calorimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.4 Magnet and Muon System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 The Standard Model 21
3.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Quantum Electrodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3 Electroweak Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4 Quantum Chromodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.5 Full Standard Model Lagrangian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.6 The Higgs Boson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.7 Top and Bottom Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
I Measurement of the Inclusive and Differential Cross-Sections for Semilep-
tonic ttbb Production with the CMS Detector at CERN 31
4 Introduction 32
4.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2 Previous Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2.1 Cross-section Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3 Analysis Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5 Phase Space and Observables 38
5.1 Phase Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.2 Object Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.3 Observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.4 Signal and Background Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6 Object and Event Selection 44
6.1 Trigger Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.2 Event Cleaning and Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.3 Detector-Level Object Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.3.1 Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.3.2 Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.3.3 Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.3.4 B Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.4 Detector-Level Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7 ttB Identification 50
7.1 Signal Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.2 Jet Multiplicity Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.3 Ancillary Observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4
8 Unfolding Strategy 55
8.1 Fit Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
8.1.1 Migration Matrices and Ill-posedness Checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
8.1.2 Absolute and Normalized Differential Cross Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
8.2 Ancillary Observables in Unfolding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
8.3 Fit Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
8.3.1 Fits to Asimov Toy Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
8.3.2 Frequentist Toy Fits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
8.3.3 Fits to Alternative Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
9 Systematic Uncertainties 74
10 Results 79
10.1 Inclusive Fiducial Cross-Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
10.2 Normalized Differential Cross Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
11 Analysis Summary 90
II Studies of the Readout Chip for the Phase 2 Upgrade of the CMS Pixel
Detector 92
12 Inner Tracker Upgrade 93
12.1 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
12.2 RD53 Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
13 Serial Powering Tests 97
13.1 Undershunt Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
13.1.1 Series Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
13.1.2 Parallel Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
13.2 Overvoltage Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
13.2.1 Parallel Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
13.2.2 Series Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
13.3 Comparison and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
14 Radiation Testing 106
14.1 Irradiation Campaign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
14.2 Voltage Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
14.3 Ring Oscillator Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
14.4 ADC Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
14.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
15 Conclusions and Outlook 114

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Canelli Florencia, Botta Cristina, Pozzorini Stefano
Communities & Collections:07 Faculty of Science > Physics Institute
UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:530 Physics
Language:English
Date:2023
Deposited On:19 Jan 2024 13:37
Last Modified:21 May 2024 20:39
Number of Pages:122
OA Status:Green
  • Content: Published Version
  • Language: English