Measurement of jet production in association with a Z boson at the LHC and jet energy correction calibration at high level trigger in CMS

• Main Author: Zhang, Fengwangdong
• Other Authors: Favart, Laurent
• Format: Doctoral Thesis
• Language: en
• Published: Universite Libre de Bruxelles 2017
• Subjects: Physique des particules élémentaires; Quantum Chromodynamics; Standard Model; Z Boson; Jet; Large Hadron Collider; Compact Muon Solenoid; High Level Trigger
• Online Access: http://hdl.handle.net/2013/ULB-DIPOT:oai:dipot.ulb.ac.be:2013/251804

This PhD dissertation presents the measurement of the cross section of jet production in association with a Z boson in proton-proton collisions at the Large Hadron Collider in CERN, with a center-of-mass energy of 8 TeV in 2012 and of 13 TeV in 2015. The data used for this analysis were collected by the Compact Muon Solenoid (CMS) detector, with an integrated luminosity of 19.6 fb-1 in 2012 and of 2.25 fb-1 in 2015. The differential cross section is measured as a function of jet multiplicity, jet transverse momentum and rapidity, and the scalar sum of jet transverse momenta. The rapidity correlations between the Z boson and jets are also measured benefiting from the large statistics of data taken in 2012. All distributions of measured observables are obtained after correcting detector effects using unfolding approach, and the results of two leptonic decaying channels of Z boson are combined. Coming along with the systematic and statistical uncertainties, the measurement is compared to different theoretical predictions at different accuracy levels. The predictions are from MADGRAPH 5, SHERPA 2 (for 8 TeV analysis only), MADGRAPH_AMC@NLO, and fixed next-to-next-to-leading order (for 13 TeV analysis only). Thanks to the unprecedented high energy and the large statistics of data, precision measurement is accomplished in a physical phase space never reached before. This measurement provides precise systematics for different theoretical models. It also quantifies the improvement with higher order of perturbative quantum chromodynamics calculations on matrix elements relative to the leading order multi-leg approach. In particular to the rapidity correlation study, new matching schemes (FxFx and MEPS@NLO) for next-to-leading order matrix elements and parton shower show significant improvements with respect to the MLM matching scheme for leading order multi-leg matrix elements and parton shower. This measurement also gives precise background estimation for the measurements of many other processes in Standard Model like top quark production and gauge boson couplings, and for new physics searches such as Supersymmetry. In this thesis, the jet energy correction and calibration for the high level trigger system of CMS are also depicted. From 2012 to 2015, the Large Hadron Collider was upgraded, not only with the center-of-mass energy of the beams enlarged, but also with the instantaneous luminosity increased. The time distance between two particle bunches in a beam is reduced. As a result, the reconstructed momenta of the jets produced in each bunch crossing are significantly contaminated by multiple interactions. A dedicated technical approach has been developed for correcting the reconstructed jet momenta. The corrections have been calibrated and configured for the data taking in 2015 and 2016. === Cette thèse présente une mesure de la section efficace de production de jets associés à un boson Z dans les collisions proton-proton du Grand Collisionneur de Hadron (LHC) situé au CERN, avec des énergies dans le centre de masse de 8 TeV et 13 TeV, respectivement pour les années 2012 et 2015. Les données utilisées pour cette analyse ont été collectées par le détecteur Compact Muon Solenoid (CMS). Elles constituent des échantillons de luminosités intégrées de 19.6 fb⁻¹ et 2.25 fb⁻¹, respectivement pour 2012 et 2015. Nous mesurons la section efficace différentielle en fonction de la multiplicité de jets, de l’impulsion transverse et de la rapidité des jets, et en fonction de la somme scalaire des impulsions transverses des jets. La corrélation entre les rapidités du boson Z et des jets est aussi mesurée et bénéficie de la large statistique prise en 2012. Toutes les distributions d’observables mesurées sont obtenues après corrections pour les effets détecteurs et les résultats des canaux de désintégration muonique et électronique du boson Z sont combinés. Tenant compte des incertitudes statistiques et systématiques, les mesures sont comparées à différentes prédictions théoriques ayant différents niveaux de précision. Les prédictions sont obtenues de MADGRAPH 5, SHERPA 2 (pour l’analyse à 8 TeV uniquement), MADGRAPH_AMC@NLO, et un modèle fixé au NNLO (pour l’analyse à 13 TeV uniquement). Par ces mesures de précisions, et en particulier celle de la corrélation de rapidités, nous avons acquis une compréhension plus approfondie de la chromodynamique quantique dans son régime perturbatif. Grâce à la plus haute énergie jamais atteinte en laboratoire, et à la grande statistique disponible, nous avons sondé avec précision des endroits de l’espace des phases jusque là inaccessibles.Dans cette thèse, les corrections et la calibration de l’énergie des jets pour le haut niveau de sélection de CMS est également présentée. Durant la période de 2012 à 2015, le LHC a été amélioré, non seulement l’énergie dans le centre de masse a augmenté, mais la luminosité instantanée a aussi été amplifiée. L’écart temporelle entre deux paquets de particules dans les faisceaux du LHC a été réduite. L’une des conséquences est que l’impulsion reconstruite pour les jets produits lors d’un croisement de faisceau à une contribution significative venant des multiples interactions ayant lieux lors du croisement des paquets. Une approche technique dédiée a été développée pour corriger l'impulsion des jets. Les corrections obtenues ont été calibrées aux données prises en 2015 et 2016. === Doctorat en Sciences === info:eu-repo/semantics/nonPublished