TY - THES A1 - Marfin, Ihar T1 - Search for additional Higgs bosons with multi b-quark final states at LHC T1 - Suche nach weiteren Higgs Bosonen in Endzuständen mit mehreren b-Quarks am LHC N2 - The Higgs mechanism is responsible for the spontaneous breaking of the electroweak symmetry leading to the generation of masses of fermions and weak bosons. This thesis is devoted to search for the neutral supersymmetric Higgs particles Φ=h, H and A decaying into b quarks produced in association with at least one more b quark at the Large Hadron Collider. Here the study of the final states characterized by three b-tagged jets is described in detail. The analysis was performed using data corresponding to 2.7 − 4.8 fb^−1 integrated luminosity of pp collisions with a centre-of-mass energy of 7 TeV collected in 2011 with the CMS detector. Two analysis scenarios were adopted to perform a search for neutral Higgs bosons of low and medium masses, 90 GeV ≤ MΦ < 180 GeV and 180 ≤ GeV MΦ ≤ 350 GeV, respectively. Two-dimensional templates, built up from double-b-tagged data and based on the invariant mass of the two leading b jets and a variable reflecting b-jet properties of three leading jets, are used to model the background. The signal is modeled by templates obtained from Monte Carlo simulation. Various systematic effects affecting the signal efficiency and changing shapes of the signal and background templates were investigated. The fitting machinery, based on a binned least-squares fit of the signal and background templates and the systematics model dependent on the hypothesized mass of the pseudoscalar Higgs particle A, was developed to extract the signal and background yields from the data. No significant evidence for the production of the Higgs bosons is found. Using the CLS method, we set cross section times branching fraction upper limits at 95% confidence level (CL) on the production of such neutral Higgs bosons Φ in the mass range from 90 GeV to 350 GeV. The observed exclusion limits are well within the expected ±2σ band. The benchmark scenario of the Minimal Supersymmetric Standard Model, denoted as mmax , with the two choices of the Higgsino mass parameter, μ = +200 GeV and μ = −200 GeV is considered. The obtained 95% CL upper limits on σ (pp → bb + Φ) × BR(Φ → bb) are interpreted as the upper limits on the MSSM parameter tan β . Ranges 27 ≤ tan β ≤ 51 and 22 ≤ tan β ≤ 37 for the masses of the Higgs boson from 90 to 350 GeV are ruled out at μ = +200 GeV and μ = −200 GeV, respectively. The 95% CL limits on tan β obtained in this channel supersede previous tan β limits established by CDF and D0 experiments. N2 - Die SU(2)⊗U(1) Symmetrie der elektroschwachen Wechselwirkung wird im Standardmodell durch den Higgs-Mechanismus spontan gebrochen. Eichbosonen und Fermionen erhalten durch die Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld ihre Masse. Zudem wird ein neues Teilchen vorhergesagt, das Higgs-Boson, als Anregung des Higgs-Feldes. Allerdings gibt es berechtigte Zweifel am fundamentalen Charakter des Standardmodells, zum Beispiel folgt aus kosmologischen Beobachtungen die Existenz dunkler Materie, die im Standardmodell nicht erklärt werden kann. Theoretiker haben daher Erweiterungen des Standardmodells vorgeschlagen, in denen mehrere Higgs-Bosonen vorhergesagt werden. Das am CERN im Jahre 2012 entdeckte Higgs-Boson kann sowohl das Higgs-Boson des Standardmodells als auch eines der Higgs-Bosonen der umfassenden Theorien sein. Die Entdeckung eines weiteren Higgs-Bosons wäre ein klares Signal für die Notwendigkeit einer neuen Theorie. Diese Arbeit beschreibt die Suche nach den neutralen Higgs-Bosonen Φ=h, H und A im Minimal Supersymmetrischen Standardmodell (MSSM). Von Interesse ist dabei der drei-b-Jet-Endzustand, der durch die Reaktion pp → bΦ entsteht, und das Higgs-Boson am Ende in ein Paar von b-Quarks zerfällt, Φ → bb. Um einen möglichst reinen Datensatz zu erhalten, ist die Identifikation der b-Jets entscheidend. Die Suche wird mit den Daten des CMS-Experimentes am Large Hadron Collider (LHC) aus dem Jahr 2011 bei einer Schwerpunktenergie von 7 TeV durchgeführt. Für die Analyse wurden Daten verwendet, die integrierten Luminositäten der speziellen Higgs-Trigger von 2.7-4.8 fb−1 entsprechen. Im Rahmen der hier vorgestellten Analyse wurden zwei Analyseszenarien entwickelt, um eine Suche nach Higgs-Bosonen von niedrigen und mittleren Massen, 90 GeV ≤MΦ < 180 GeV und 180 GeV ≤ MΦ ≤ 350 GeV, durchzuführen. Für die Suche wurden zweidimensionale Verteilungen hergenommen. Eine Variable ist die invariante Masse der beiden führenden b-Jets. Die zweite Variable kombiniert topologische und kinematische Eigenschaften von b-Quark-Jets. Zur Abschätzungen des Hintergrundes werden Ereignisse mit drei Jets, von denen zwei als b-Quark-Jets erkannt wurden, verwendet. Signalereignisse werden aus Monte-Carlo-Simulationen erzeugt, im Detektor rekonstruiert und durch den speziellen Higgs-Boson Trigger selektiert. Systematische Effekte aus verschiedenen Quellen werden untersucht. Der Schwerpunkt lag dabei bei der Betrachtung solcher Effekte, die zu veränderter Signal-Effizienz und zu Hintergrundverteilungen führten. Ein χ 2 -Test wird verwendet, um das Signal aus den Daten zu extrahieren. In dieser Analyse wurde kein Signal gefunden. Die Ergebnisse wurden für die Berechnung einer oberen Grenze für σ (pp → bb + Φ) × BR(Φ → bb) in Abhängigkeit von der Masse des Higgs-Bosons zwischen 90 und 350 GeV benutzt. Die verwendete Methode basiert auf einer CLS -Berechnung mittels einer Log-Likelihood-Funktion. Innerhalb der 2σ Bereiche ist die beobachtete Grenze in gutem Einklang mit der zu erwarteten Ausschlussgrenze. Aus den Daten wurde zusätzlich eine untere Grenze auf den tan β -Parameter des MSSM als Funktion der Higgs-Boson Masse gesetzt. Im Rahmen des mmax MSSM-Szenarios für eine Masse des Higgs Bosons zwischen 90 und 350 GeV sind folgende Bereiche mit einem Vertrauensniveau von 95% erlaubt: 27 ≤ tan β ≤ 51 für μ = +200 GeV und 22 ≤ tan β ≤ 37 für μ = −200 GeV, wobei μ die Higgsino-Masse ist. Die gesetzte Grenze für tan β ist weitaus enger als die aus früheren Messungen am CDF- und D0-Experiment. KW - Higgs mechanism KW - Minimal supersymmetric standard model KW - Large hadron collider KW - Reaktion pp → bΦ KW - CMS-Experimente KW - Higgs-Teilchen KW - LHC Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-32819 ER - TY - THES A1 - Novgorodova, Olga T1 - Characterisation and application of radiation hard sensors for LHC and ILC T1 - Characterisierung und Anwendung strahlenharter Sensoren am LHC und ILC N2 - The Large Hadron Collider (LHC) currently in operation intends to explore particle physics on the TeV scale. The International Linear Collider (ILC) and the Compact Linear Collider (CLIC) are being designed to measure the properties of particles possibly discovered at the LHC with high precision. Very forward detector systems at these machines are needed for the precise measurement of the luminosity and to approach full polar angle coverage. In the current detector concepts for linear collider detectors two electromagnetic calorimeters, Beam Calorimeter (BeamCal) and Luminosity Calorimeter (LumiCal), are foreseen. Both calorimeters are designed as sandwich calorimeters with tungsten absorber layers instrumented with finely segmented sensors. Due to a large amount of beamstrahlung remnants hitting BeamCal at the innermost radii, the sensors must withstand up to 1 MGy radiation dose per year. In this thesis two types of sensor materials were investigated: single crystal chemical vapour deposition diamonds (scCVDD) and gallium arsenide doped by chromium (GaAs:Cr). The very forward calorimeters ensure coverage for high energy electrons, positrons and photons down to very low polar angles. Within this thesis, simulation studies are presented for different beam parameters of the ILC. A new sensor segmentation was proposed to achieve better reconstruction efficiency of single high-energy electrons, positrons and photons on top of the beamstrahlung background. Only for a few years ago polycrystalline diamond sensors have been used for beam diagnostics in high-energy physics experiments. The Compact Muon Solenoid experiment, CMS, at the LHC is instrumented with several detectors for the Beam Conditions and Radiation Monitoring. The Fast Beam Conditions Monitor (BCM1F) is part of these systems. Here for the first time single crystal diamond sensors have been used. Eight detectors, comprising each a single crystal sensor and front-end electronics, are positioned around the beam pipe on both sides of the interaction region. They monitor the beam halo to protect the inner CMS detectors from adverse beam conditions and ensure high quality data for CMS. In this thesis, BCM1F data is evaluated for intrinsic time resolution and performance under harsh radiation conditions. Furthermore, it is investigated if it can be used for a bunch by bunch on-line luminosity measurement. The second type of sensor, made of GaAs:Cr, was produced in Tomsk State University and tested as a candidate for the BeamCal for future ILC and CLIC detectors. Several GaAs:Cr sensors were characterized in the laboratory for leakage current and capacitances and used for test beam investigations. Two sensors were assembled with a fan-out, front-end and ADC ASICs to build a fully functional prototype of a sensor plane. Several test beam campaigns were done to measure the performance of the system. N2 - Der International Linear Collider (ILC) und der Compact Linear Collider (CLIC) werden entwickelt, um die Forschung am momentan operierenden Large Hadron Collider (LHC), die Erforschung der Teilchenphysik bei TeV-Energien, fortzuführen. Das Vorwärtsdetektorsystem an Maschinen mit solch hohen Energien benötigt strahlenharte Detektoren nahe an der Strahlachse. Das Beam Calorimeter (BeamCal) ist als Samplingkalorimeter mit 30 Wolframabsorberlagen und fein segmentierten Sensoren ausgelegt. Wegen der hohen Belastung durch Beamstrahlung, die das Kalorimeter im Bereich des inneren Radius trifft, müssen die Sensoren eine Strahlendosis von bis zu 1 MGy pro Jahr aushalten. In dieser Arbeit werden zwei Arten von Sensormaterialien untersucht: Einkristalldiamanten-Sensoren (scCVD) und Galliumarsenid-Sensoren mit Chrom-Dotierung (GaAs:Cr). Diamantsensoren sind in der Strahldiagnostik an Hochenergiephysik-Experimenten weit verbreitet. Das Compact Muon Solenoid (CMS) Experiment am LHC ist mit mehreren Detektoren zur Überwachung der Strahlqualität ausgestattet (Beam Conditions and Radiation Monitoring - BRM). Ein Detektor dieses Systems ist der Fast Beam Conditions Monitor (BCM1F), in welchen zum ersten Mal monokristalline Sensoren verwendet werden. BCM1F überwacht den Strahl, um die inneren CMS-Subdetektoren zu schützen und um eine möglichst hohe Datenqualität sicherzustellen. In dieser Arbeit werden die spezifische Zeitauflösung und der Grad der Strahlenschädigung von BCM1F bestimmt. Außerdem wird untersucht, ob sich BCM1F zur paketweisen Echtzeitmessung der Luminosität eignet. Der zweite untersuchte Sensortyp, hergestellt aus GaAs:Cr, wurde als Kandidat für das BeamCal an einem zukünftigen ILC- oder CLIC-Detektors von der Universität Tomsk entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden mehrere GaAs:Cr-Wafer im Labor charakterisiert. Dabei wurden die Leckströme und Kapazitäten bestimmt, um Sensoren für weitergehende Untersuhungen im Teststrahl auszuwählen. Die Sensoren wurden mit "fan-out", Frontend-Elektronik und Analog-Digital-Wandlern bestückt, um eine voll funktionsfähige Sensorebene zu erhalten. Mehrere Teststrahl-Kampagnen wurden durchgeführt, um die Sensorebene zu charakterisieren. Das BeamCal eines Linear Collider Detectors dient dazu, hochenergetische Elektronen, Positronen und Photonen bei sehr kleinen Polarwinkeln zu erkennen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Simulationsstudien für verschiedene ILC-Strahlparameter durchgeführt. Anhand dieser Simulationen wird eine alternative Segmentierung des Sensors vorgeschlagen, um eine höhere Rekonstruktionseffizienz für einzelne hochenergetische Elektronen, Positronen oder Photonen bei gleichzeitigem Beamstrahlungsuntergrund zu erreichen. KW - LHC KW - Strahlüberwachung KW - Sensor KW - FCAL KW - CMS KW - LHC KW - ILC KW - BeamCal KW - FCAL KW - CMS KW - LHC KW - ILC KW - BeamCal Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-29516 ER - TY - THES A1 - Bergholz, Matthias T1 - Vergleich relevanter Parameter von Multipixelsensoren für Spurdetektoren nach Bestrahlung mit hohen Proton- und Neutronflüssen T1 - Comparison of relevant parameters of multi-pixel sensors for tracker detectors after irradiation with high proton and neutron fluences N2 - Um eine höhere Sensitivität für seltene Physikereignisse zu erzielen, wird die Luminosität am LHC in der dritten Upgrade-Phase um den Faktor fünf gesteigert. Die damit verbundene Steigerung der Wechselwirkungsrate bedingt für den CMS-Spurdetektor strahlungshärtere Sensoren. Um das geeignetste Material zu finden, wurde die HPK-Kampagne gestartet. Ziel der Kampagne ist es, die auf dem Markt verfügbaren Siliziumsubstrate und Prozesstechnologien auf ihre Eignung zu überprüfen. In der vorliegenden Arbeit wurden aus der HPK-Kampagne die sogenannten MPix-Sensoren untersucht. Dafür wurde zunächst eine Probestation in Betrieb genommen und die Steuerungssoftware programmiert. Zusätzlich wurden neuartige Auswertungsmethoden entwickelt und eine Datenbank eingerichtet. Zur Untersuchung der Änderung der Sensoreigenschaften durch Bestrahlung wurden die MPix-Sensoren zunächst vor der Bestrahlung charakterisiert und die Ergebnisse anschließend mit den Ergebnissen nach Bestrahlung verglichen. Der Untersuchungsfokus lag auf dem Einfluss des Sensorsubstrats, der Produktionstechnologie und der Bias-Strukturen und der Strahlenhärte. Durch Bestrahlung degenerierten die Sensortypen unterschiedlich stark. Der Anstieg des Stromes durch Bestrahlung ist kleiner für Sensoren aus Magnetic-Czochralski-Silizium verglichen mit Sensoren aus Float-Zone-Silizium. Für Sensoren aus Float-Zone-Silizium ist der Stromanstieg schwächer für 200 µm dicke Sensoren verglichen mit 320 µm dicken Sensoren. Bias-Strukturen aus Polysilizium und Punch-Through-Struktur werden durch die Bestrahlung geschädigt. Bei Strukturen aus Polysilizium steigt der Widerstand durch Bestrahlung um etwa 50% und bei der Punch-Through-Struktur steigt die Punch-Through-Spannung um den Faktor zwei. N2 - The further increase of the luminosity of the Large Hadron Collider (LHC) at CERN requires new sensors for the tracking detector of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment. These sensors must be more radiation hard and of a finer granularity to lower the occupancy. In addition the new sensor modules must have a lower material budget and have to be self triggering. Sensor prototypes, the so called “MPix”-sensors, produced on different materials were investigated for their radiation hardness. These sensors were fully characterized before and after irradiation. Of particular interest was the comparison of different bias methods, different materials and the influence of various geometries. The degeneration rate differs for the different sensor materials. The increase of the dark current of Float-Zone-Silicon is stronger for thicker sensors and less than for Magnetic-Czochralski-Silicon sensors. Both tested bias structures are damaged by the irradiation. The poly silicon resistance increases after irradiation by fifty percent. The Punch-Through-Structure is more effected by irradiation. The punch-through voltage increase by a factor of two. Due to the higher pixel current, the working point of the sensor is shifted to smaller differential resistances. KW - Multipixelsensoren KW - Strahlenhärte KW - CMS KW - HPK-Kampagne KW - Spurdetektor KW - Compact Muon Solenoid KW - HPK campaign KW - Multi-pixel sensors KW - Tracker KW - Radiation hardness KW - CMS-Detektor KW - Sensor KW - Spurdetektor KW - Strahlenresistenz Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-36359 ER - TY - THES A1 - Ignatenko, Alexandr T1 - Development of Beam Halo Monitors for the European XFEL using radiation hard sensors and demonstration of the technology at FLASH T1 - Entwicklung von Beam Halo Monitoren mit strahlungsharten Sensoren für den Europäischen XFEL und Demonstration der Technologie bei FLASH N2 - The European X-Ray Free-Electron Laser (E-XFEL), currently under construction in Hamburg, Germany, is intended to be an international linear accelerator (linac) based user facility. Its electron beam can carry maximal average power of 600 kW. A beam with such a high power needs to be carefully transmitted through the machine and safely dumped after utilization. This is supported by various diagnostics tools. A Beam Halo Monitor (BHM) based on synthetic diamond and sapphire sensors has been designed. Diamond sensors are developed by the company element6 for the detection of ionizing radiation and used previously elsewhere. Sapphire sensors are in this thesis applied for the first time. The BHM concept has been applied already at the Free-electron Laser in Hamburg (FLASH). A module with four diamond and four sapphire sensors was designed, installed inside the beam pipe, commissioned, calibrated and has been successfully operated for 4 years. The system contributed significantly to safe and efficient operation of FLASH. Both types of the sensors for the BHM were characterized. Measurements of radiation tolerance are done in a 10 MeV electron beam for polycrystalline CVD (pCVD) diamond sensors for the first time up to a dose of 10 MGy and for sapphire sensors up to 5 MGy. The charge collection efficiency (CCE) drops as a function of the absorbed dose, is however still sufficient for application as a BHM. To improve a main sensor characteristic, the charge collection efficiency, for sapphire sensors the impurity concentration was reduced and different growth techniques were compared. Finally, charge collection efficiency of about 5 % for a bias voltage of 500 V was reached. The BHM concept for the XFEL is designed and in the construction phase. N2 - Der European X-Ray Free-Electron Laser (E-XFEL), dessen Aufbau zur Zeit in Hamburg stattfindet, soll als international organisierte LINAC basierte Strahlungsquelle für Nutzer betrieben werden. Die mittlere Leistung im Elektronenstrahl wird 600 kW betragen. Ein Strahl mit so hoher Leistung muss sicher durch den Beschleuniger gesteuert, und nach seiner Nutzung sicher am vorgesehenen Ort vernichtet werden. Die Führung des Strahls wird von verschiedenen Diagnoseinstrumenten unterstützt. Hierzu zählt ein Beam Halo Monitor, der Sensoren aus hochreinem Diamant- und Saphirkristallen nutzt. Diamantsensoren wurden speziell für den Nachweis ionisierender Strahlung von der Firma Element6 entwickelt und wurden bereits an anderen Beschleunigen verwendet. Saphiresenoren werden in dieser Arbeit zum ersten Mal von verschiedenen Herstellern getestet und verwendet. Das Konzept eines solchen Beam Halo Monitors wurde im Rahmen dieser Arbeit bereits beim Free-Electron Laser in Hamburg (FLASH) entwickelt und angewandt. Hier wurde ein Modul mit jeweils 4 Diamant- und 4 Saphirsensoren installiert, in Betrieb genommen und getestet. Seit nunmehr 4 Jahren ist es ohne Ausfall in Betrieb und hat in dieser Zeit signifikant zur Erhöhung der Effizienz von FLASH beigetragen. Vor dem Einbau bei FLASH wurden beide Sensortypen charakterisiert. Polykristaline CVD (pCVD) Diamantsensoren wurden in einem 10 MeV Elektronenstrahl mit bis zu 10 MGy und Saphirsensoren bis zu 5 MGy Dosis getestet. Die sogenannte Charge Collection Efficiency (CCE) fällt dabei in Abhängigkeit von der applizierten Dosis ab, bleibt aber immer noch ausreichend hoch, so dass die Sensoren für einen BHM verwendet werden können. Ferner wurde der Einfluss der Reinheit von Saphirsensoren auf die Charge Collection Efficiency untersucht. Die Konzentration Verunreinigungen wurde bei Auswahl der Sensoren verringert, und verschiedene Herstellungsverfahren wurden betrachtet. Im Resultat konnten Sensoren mit einer Charge Collection Efficiency von 5% bei einer Spannung von 500 V hergestellt werden. Das Konzept für den XFEL ist entwickelt und bereits in der Phase der Realisierung. KW - Sensor KW - Diamond KW - Sapphire KW - Development KW - Beam Halo Monitor KW - Sensor KW - Diamant KW - Saphir KW - Entwicklung KW - Beam Halo Monitor KW - Saphir KW - Diamant KW - Sensor Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-34757 ER -