The measurement of W± boson charge asymmetry at √s = 13 TeV with the CMS detector using the 2015 data set and a global QCD analysis on this asymmetry

Abstract

This thesis presents physics results accomplished during the 2017-2019 years in theCMS experiment. Three main contributions are discussed: a measurement of diamondsensors for the BCM1F luminometer and monitoring of its performance during thewhole Run 2; a measurement of differential cross-sections of W±boson production inthe muon channel as a function of pseudorapidity at√s = 13 TeV using 2015 data set,and extraction of W±boson charge asymmetry values; a global QCD analysis with theobtained asymmetry results.During 2016-2017 in DESY-Zeuthen laboratories, twelve poly-crystalline Chemi-cal Vapour Deposited (pCVD), and five single-crystalline Chemical Vapour Deposited(sCVD) diamonds were tested to select the most suitable sensors for the BCM1F up-grade, scheduled during a short technical stop at the end of 2017. In these studies,each sensor was tested for the leakage current durability, current over time stability,and charge collection distance constancy. During Run 2, the stability of diamond sen-sors performance was monitored and analyzed. These results allowed to broaden ourknowledge about technical aspects of luminosity measurement with diamond sensors insevere conditions of radiation damage and were considered in the next design generationof luminometers.The extraction of W±boson charge asymmetry was performed starting from theanalysis of the "Measurement of inclusive W±and Z0boson production cross-sectionsin pp collisions and luminosity calibration at√s = 13 TeV" using a data sample col-lected with the CMS detector in 2015 with a corresponding integrated luminosity of2.2±0.05 fb–1. The asymmetry was calculated by measuring differential cross-sectionsof W±boson production in the muon channel as a function of pseudorapidity. The ob-tained results of differential cross-sections and asymmetry values were compared withtheoretical predictions at NNLO, produced using different PDF sets. The final resultsare presented with the full set of systematic uncertainties, showing good agreement withtheoretical predictions, within the uncertainty range.The final part is dedicated to two global QCD analyses made using the measuredasymmetry. Studies were performed using a global QCD fit approach, implemented inthe xFitter framework. In the first analysis, the measured asymmetry was tested onits sensitivity to proton structure using combined DIS results from the H1 and ZEUSexperiments. The inclusion of the asymmetry values showed a good improvement ofvalence quark distributions in a range of 10–3≤x≤10–1. The second analysis wasperformed with DIS data and CMS results of previous measurements of W±bosoncharge asymmetry and W±boson + charm quark production. The impact of theW±boson charge asymmetry, measured in this thesis, is presented with the full set ofexperimental, model, and parameterization systematic uncertainties. The final resultsshowed an improvement in the distribution of the up valence quark distribution.

In dieser Arbeit werden Ergebnisse des CMS Experiments aus den Jahren 2017-2019 präsentiert. Es werden drei Beiträge vorgestellt: Messungen, die durch Diamant-Sensoren innerhalb des BCM1F Luminometers aufgezeichnet wurden und die Überwachung dieser Komponenten während des gesamten Run 2; die Bestimmung des differentiellen Wirkungsquerschnitts von W± Bosonen im Myon-Zerfallskanal, als Funktion der Pseudorapidität, bei einer Schwerpunktsenergie von √ s = 13 TeV, sowie die Bestimmung der Ladungsassymmetrie-Werte von W±; die anschließende globale QCD Analyse, in der die zuvor gemessenen W± Ergebnisse verwendet werden. In den Jahren 2016 bis 2017 wurden in den DESY-Laboratorien in Zeuthen zwölf poly-crystalline Chemical Vapour Deposited (pCVD) und fünf single-crystalline Chemical Vapour Deposited (sCVD) Diamanten getestet, um die am besten passenden Sensoren für das BCM1F Upgrade zu finden, welches während eines kurzen Shut-Downs 2017 stattfinden sollte. In diesen Studien wurde jeder Sensor einzeln auf seine Leakage Current Durability, Current Over Time Stability und Charge Collection Distance Constancy getestet. Diese Ergebnisse liefern Erkenntnisse über die technischen Aspekte von Luminositätsmessungen mit Diamant-Sensoren unter extremen Bedingungen, wie hoher Strahlenbelastung, und werden einen Einfluss auf das Design zukünftiger Generationen von Luminometern haben. Die Bestimmung der Ladungsasymmetrie von W±-Bosonen wurde als Beitrag zur Analyse “Measurement of inclusive W± and Z0 boson production cross-sections in pp collisions and luminosity calibration at √s = 13 TeV” durchgeführt, welche von einer Gruppe am MIT geleitet wurde. Für die Messung wurden Daten verwendet, welche durch den CMS-Detektor im Jahr 2015 aufgezeichnet wurden und einer integrierten Luminosität von 2.2±0.05 fb–1 entsprechen. Die Asymmetrie wurde durch die Messung des differentiellen Wirkungsquerschnitts von W±-Bosonen im Myon-Zerfallskanal, als eine Funktion der Pseudorapidität, berechnet. Die Ergebnisse dieser Messungen wurden mit theoretischen Vorhersagen in Next-to-Next-to-Leading Order (NNLO) verglichen, bei denen verschiedene Sets an Parton-Verteilungsfunktionen, eng. parton distribution functions (PDF) verwendet werden. Die Ergebnisse werden zusammen mit einem vollständigen Satz an systematischen Unsicherheiten präsentiert, und zeigen eine gute Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen innerhalb der Unsicherheiten. Der letzte Teil der Arbeit ist den beiden globalen QCD Analysen gewidmet, in der die zuvor gemessene Asymmetrie verwendet werden. Für die Studien wurde ein globaler QCD-Fit Ansatz verwendet, wie er innerhalb des xFitter Frameworks implementiert ist. In der ersten Analyse wurde der Grad der Sensitivität der gemessenen Asymmetrie auf die Protonstruktur, durch einen Vergleich mit den kombinierten DIS-Ergebnissen der H1 und Zeus Experimente, getestet. Durch das Einbeziehen der Asymmetrie-Werte in die QCD Analyse kann eine Verbesserung bezüglich der Unsicherheiten in der Valenzquark Verteilung im Bereich 10–3 ≤ x ≤ 10–1 beobachet werden. In der zweiten Analyse wurden die DIS-Daten, sowie die Ergebnisse früherer Messungen der W± Ladungsasymmetrie und W±+charm Produktion verwendet. Der Einfluss der W± Ladungsasymmetrie, welche in dieser Arbeit gemessen wurde, wird mit allen Unsicherheiten bezüglich des experimentellen Aufbaus, des gewählten Modells und der verwendeten Parametrisierung präseniert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Einbeziehung der Messung zu einer Verbesserung in der Up-Quark Verteilung führt.