Verena Herget

• The measurement of the mass of the $W$ boson is currently one of the most promising precision analyses of the Standard Model, that could ultimately reveal a hint for new physics. The mass of the $W$ boson is determined by comparing the $W$ boson, which cannot be reconstructed directly, to the $Z$ boson, where the full decay signature is available. With the help of Monte Carlo simulations one can extrapolate from the $Z$ boson to the $W$ boson. Technically speaking, the measurement of the $W$ boson mass is performed by comparing data takenThe measurement of the mass of the $W$ boson is currently one of the most promising precision analyses of the Standard Model, that could ultimately reveal a hint for new physics. The mass of the $W$ boson is determined by comparing the $W$ boson, which cannot be reconstructed directly, to the $Z$ boson, where the full decay signature is available. With the help of Monte Carlo simulations one can extrapolate from the $Z$ boson to the $W$ boson. Technically speaking, the measurement of the $W$ boson mass is performed by comparing data taken by the ATLAS experiment to a set of calibrated Monte Carlo simulations, which reflect different mass hypotheses.\ A dedicated calibration of the reconstructed objects in the simulations is crucial for a high precision of the measured value. The comparison of simulated $Z$ boson events to reconstructed $Z$ boson candidates in data allows to derive event weights and scale factors for the calibration. This thesis presents a new approach to reweight the hadronic recoil in the simulations. The focus of the calibration is on the average hadronic activity visible in the mean of the scalar sum of the hadronic recoil $\Sigma E_T$ as a function of pileup. In contrast to the standard method, which directly reweights the scalar sum, the dependency to the transverse boson momentum is less strongly affected here. The $\Sigma E_T$ distribution is modeled first by means of its pileup dependency. Then, the remaining differences in the resolution of the vector sum of the hadronic recoil are scaled. This is done separately for the parallel and the pterpendicular component of the hadronic recoil with respect to the reconstructed boson. This calibration was developed for the dataset taken by the ATLAS experiment at a center of mass energy of $8\,\textrm{TeV}$ in 2012. In addition, the same reweighting procedure is applied to the recent dataset with a low pileup contribution, the \textit{lowMu} runs at $5\,\textrm{TeV}$ and at $13\,\textrm{TeV}$, taken by ATLAS in November 2017. The dedicated aspects of the reweighting procedure are presented in this thesis. It can be shown that this reweighting approach improves the agreement between data and the simulations effectively for all datasets. The uncertainties of this reweighting approach as well as the statistical errors are evaluated for a $W$ mass measurement by a template fit to pseudodata for the \textit{lowMu} dataset. A first estimate of these uncertainties is given here. For the pfoEM algorithm a statistical uncertainty of $17\,\text{MeV}$ for the $5\,\textrm{TeV}$ dataset and of $18\,\text{MeV}$ for the $13\,\textrm{TeV}$ are found for the $W \rightarrow \mu \nu$ analysis. The systematic uncertainty introduced by the resolution scaling has the largest effect, a value of $15\,\text{MeV}$ is estimated for the $13\,\textrm{TeV}$ dataset in the muon channel.…
• Die Messung der Masse des $W$-Bosons ist im Augenblick eine der vielversprechendsten Präzisionsanalysen des Standard Modells, welche letztendlich einen Hinweis auf neue Physik geben kann. Die Masse des $W$ Bosons wird bestimmt, indem das $W$-Boson, welches nicht direkt rekonstruiert werden kann, mit dem $Z$-Boson verglichen wird, bei dem die vollständige Zerfallssignatur verfügbar ist. Mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen kann vom $Z$-Boson auf das $W$-Boson extrapoliert werden. Genau genommen wird die Messung der Masse des $W$-BosonsDie Messung der Masse des $W$-Bosons ist im Augenblick eine der vielversprechendsten Präzisionsanalysen des Standard Modells, welche letztendlich einen Hinweis auf neue Physik geben kann. Die Masse des $W$ Bosons wird bestimmt, indem das $W$-Boson, welches nicht direkt rekonstruiert werden kann, mit dem $Z$-Boson verglichen wird, bei dem die vollständige Zerfallssignatur verfügbar ist. Mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen kann vom $Z$-Boson auf das $W$-Boson extrapoliert werden. Genau genommen wird die Messung der Masse des $W$-Bosons durchgeführt, indem die Daten, die mit dem ATLAS Experiment aufgenommen wurden, mit einem Satz von kalibrierten Monte Carlo Simulationen verglichen wird. Die Simulationen spiegeln dabei verschiedene Massenhypothesen wider. Eine dezidierte Kalibrierung der rekonstruierten Objekte in den Simulationen ist entscheidend für eine hohe Präzision des gemessenen Werts der Masse des $W$-Bosons. Aus dem Vergleich von simulierten $Z$-Boson Ereignissen und $Z$-Bosonen, die aus den Daten rekonstruiert werden, können Ereignisgewichte und Skalierungsfaktoren für die Kalibrierung erzeugt werden. %Für die Kalibrierung werden Ereignisgewichte und Skalierungsfaktoren erzeugt, indem Simulationen von $Z$ Boson Ereignissen mit $Z$ Bosonen verglichen werden, welche aus den Daten rekonstruiert werden. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz für die Umgewichtung des hadronischen Rückstoßes in den Simulationen vorgestellt. Der Fokus der Kalibrierung liegt auf der mittleren hadronischen Aktivität, die in der mittleren skalaren Summe des hadronischen Rückstoßes $\Sigma E_T$ als Funktion des Pileups sichtbar ist. Im Gegensatz zur Standardmethode, welche die Skalarsumme direkt umgewichtet, wird hierbei die Abhängigkeit zum transversalen Impuls des Bosons weniger stark beeinflusst. Die $\Sigma E_T$-Verteilung wird zunächst mittels ihrer Abhängigkeit zum Pileup modelliert. Danach werden die verbleibenden Unterschiede in der Auflösung der vektoriellen Summe des hadronischen Rückstoßes skaliert. Dies geschieht separat für die parallele und senkrechte Komponente des hadronischen Rückstoßes, welche in Bezug auf die Richtung des rekonstruierten Bosons gemessen werden. Die Kalibrierung wurde zunächst für den Datensatz entwickelt, der im Jahr 2012 bei einer Schwerpunktsenergie von $8\,\textrm{TeV}$ mit dem ATLAS Experiment aufgenommen wurde. Zusätzlich wird die Umgewichtungsmethodik auf die neuen Datensätze angewendet, welche von ATLAS im November 2017 bei niedrigem Pileup aufgenommen wurden, den \textit{lowMu} Datensätzen bei Schwerpunktsenergien von $5\,\textrm{TeV}$ und $13\,\textrm{TeV}$. In dieser Arbeit werden die verschiedenen Aspekte der Kalibrierung präsentiert. Es kann gezeigt werden, dass diese Herangehensweise für die Umgewichtung des hadronischen Rückstoßes zu einer effektiven Verbesserung der Übereinstimmung zwischen Daten und Simulationen in allen verwendeten Datensätzen führt. Die zugehörigen Unsicherheiten dieser Kalibrierungsmethode sowie die statistischen Fehler für eine Messung der Masse des $W$-Bosons werden anhand der Template-Fit-Methode mit Pseudodaten für die \textit{lowMu} Datensätze ausgewertet. Es wird eine erste Abschätzung dieser Unsicherheiten gegeben. Für den pfoEM Algorithmus wird ein statistischer Fehler von $17\,\text{MeV}$ für den $5\,\textrm{TeV}$ Datensatz und von $18\,\text{MeV}$ für den $13\,\textrm{TeV}$ Datensatz in der $W \rightarrow \mu \nu$ Analyse ermittelt. Die systematische Unsicherheit, welche durch die Auflösungsskalierung erzeugt wird, hat den größten Effekt. Für den $13\,\textrm{TeV}$ Datensatz wird ein Fehler von $15\,\text{MeV}$ im Myonkanal abgeschätzt.…