Measurement of the inclusive production cross-section of W bosons in proton-proton collisions at √s=7 TeV in the CMS experiment at the LHC

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UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear TESIS DOCTORAL Measurement of the inclusive production cross-section of W bosons in proton-proton collisions at √s=7 TeV in the CMS experiment at the LHC MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE DOCTOR PRESENTADA POR María Luisa Cepeda Hermida Directoras: María Isabel Josa Mutuberría Begoña de la Cruz Martínez Madrid, 2011 ISBN: 978-84-694-8486-9 © María Luisa Cepeda Hermida, 2011 Centro de Investigaciones Energ´eticas, Medioambientales y Tecnol´ogicas•Departamento de F´ısica At´omica, Molecular y NuclearFacultad de Ciencias F´ısicasUniversidad Complutense de MadridMeasurement of the inclusiveproduction cross-section of W bosons√in proton-proton collisions at s=7 TeVin the CMS experiment at the LHCTesis presentada porMar´ıa Luisa Cepeda Hermidapara optar al grado de Doctor(con menci´on europea)Dirigida por:Dra. Mar´ıa Isabel Josa Mutuberr´ıaDra. Begona˜ de la Cruz Mart´ınezMadrid, Marzo de 2011Dra. Mar´ıa Isabel Mutuberr´ıa yDra.

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UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS

Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear




TESIS DOCTORAL

Measurement of the inclusive production cross-
section of W bosons in proton-proton collisions at
√s=7 TeV in the CMS experiment at the LHC


MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE DOCTOR

PRESENTADA POR

María Luisa Cepeda Hermida

Directoras:


María Isabel Josa Mutuberría
Begoña de la Cruz Martínez


Madrid, 2011


ISBN: 978-84-694-8486-9


© María Luisa Cepeda Hermida, 2011 Centro de Investigaciones Energ´eticas, Medioambientales y Tecnol´ogicas

Departamento de F´ısica At´omica, Molecular y Nuclear
Facultad de Ciencias F´ısicas
Universidad Complutense de Madrid
Measurement of the inclusive
production cross-section of W bosons

in proton-proton collisions at s=7 TeV
in the CMS experiment at the LHC
Tesis presentada por
Mar´ıa Luisa Cepeda Hermida
para optar al grado de Doctor
(con menci´on europea)
Dirigida por:
Dra. Mar´ıa Isabel Josa Mutuberr´ıa
Dra. Begona˜ de la Cruz Mart´ınez
Madrid, Marzo de 2011Dra. Mar´ıa Isabel Mutuberr´ıa yDra. Begona˜ de la Cruz Mart´ınez, investigadoras
titulares del Departamento de Investigaci´on B´asica del Centro de Investigaciones Energe´eticas,
MedioAmbientales y Tecnol´ogicas (CIEMAT)
CERTIFICAN:
Que la presente tesis: ”Measurement of the Inclusive Production Cross-Section of

W bosons in proton-proton collisions at s=7 TeV in the CMS experiment at the
LHC”hasidorealizadabajonuestradirecci´oneneldepartamentodeF´ısicaAt´omica,Molecular
y Nuclear de la Facultad de F´ısicas de la Universidad Complutense de Madrid, para optar al
grado de Doctor en Ciencias F´ısicas.
Y para que as´ı conste, en cumplimiento de la legislaci´on vigente, presentamos ante la Uni-
verisdad Complutense de Madrid esta memoria, firmando el presente certificado:
Madrid, 20 de Marzo de 2011
iiA mis padres y mi hermana
(y a la maqu´ ina de caf´e,
aut´entica autora de esta tesis)iiContents
1 Introduction 1
2 The LHC program and the CMS Experiment 5
2.1 Scientific scope of the LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 General Description of the LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 The Compact Muon Solenoid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1 Magnet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 Inner Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.3 Electromagnetic Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.4 Hadronic Calorimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.5 Muon detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.6 Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.6.1 Muon Triggers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.7 Computing at CMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3 The 2010 LHC Run 35
3.1 Operation of the CMS detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1.1 Datasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1.2 Data Quality Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 First CMS Results at 7 TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4 The physics of W and Z at the LHC 47
4.1 Production of Vector Bosons in the LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2 Theoretical predictions of the inclusive production cross-section at 7 TeV . . . . 53
4.3 Measurement of W and Z observables at the LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.1 Cross-Section measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.2 W charge asymmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3.3 W Mass and Width measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
iiiCONTENTS
4.3.4 Anomalous gauge couplings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.5 Other electroweak measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.4 Monte Carlo description of W events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5 Building blocks of the analysis 65
5.1 Monte Carlo Samples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2 Muons in CMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.2.1 Muon Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2.2 Muon Momentum Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2.3 Muon Triggers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2.4 Muon from W/Z decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2.4.1 Quality Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.2.4.2 Muon isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.3 Missing Transverse Energy in CMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
miss5.3.1 E Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81T
miss5.3.2 Performance of E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82T
miss5.3.3 E in W and Z events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83T
6 Analysis strategy 87
6.1 Event kinematics and expected background contributions . . . . . . . . . . . . . 88
6.1.1 W→μν signal selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
+ −6.1.2 Z→μ μ selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.2 Kinematic acceptance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.3 Muon efficiencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.3.1 Tag and Probe method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.3.2 Muon efficiencies in Run 2010 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.4 Signal and Background modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
miss6.4.1 E resolution and W signal template . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103T
6.4.2 QCD background template . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7 Cross-Section measurement 119
7.1 Template Fit method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.1.1 Validity of the method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.1.2 Cross-Section Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.2 Summary of systematical uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.2.1 Muon Efficiencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
ivCONTENTS
7.2.2 Muon Momentum Scale and Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
miss7.2.3 E scale and resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130T
7.2.4 Background subtraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.2.5 Theoretical errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.2.6 Luminosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.2.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
8 Results and Outlook 137
8.1 Measurement of the inclusive W production cross-section . . . . . . . . . . . . . 137
8.2 Comparison with published results and theoretical predictions . . . . . . . . . . . 145
8.3 Revision of the luminosity estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
8.4 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
9 Conclusions 153
Appendices 155
Appendix A Evolution of the W→μν analysis 157
missAppendix B Results with track-corrected E 165
T
AppendixC Medidadelasecci´oneficazdeproducci´ondelbos´onWencolisiones

proton-pr´ oton´ a s=7 TeV 177
References 207
vCONTENTS
viAgradecimientos
Se acaban cuatro an˜os de aventura buscando muones, dejando atr´as mucho esfuerzo,
y guardando el reconocimiento al esfuerzo de los dem´as para traerme hasta aqui.
Cuatro an˜os que se merecen muchos ”gracias” para mucha gente:
Primero de todo, para mis maravillosas ”jefas” Isabel y Begona˜ (aunque protesten
por el t´ıtulo), por todo. Siempre disponibles para guiarme y ayudarme, siempre
dispuestas a defenderme y tolerar mis locuras y mi car´acter, y siempre tan cercanas
que es cierto que el nombre ”jefas” no les hace justicia.
Por supuesto, para Juan. Por tener siempre La Respuesta Perfecta a cualquier
duda, por combinar conocimiento, esfuerzo y paciencia de ese modo tan suyo. Voy a
intentar que no se me escape ningn ”lo siento” en los agradecimientos, sol´o por ´esta
vez.
Y para el CIEMAT al completo. Por haberme hecho sentir apoyada y protegida por
todo el grupo (Marcos, Manuel, Cruz, Jesus,´ Mara, Silvia, Carlo, Pablo, Chema,
Juan Pablo, Ignacio, Cristina...), especialmente por el equipo de CMS, desde el
primer d´ıa. Much´ısimas gracias a todos por hacer estos cuatro anos˜ tan agradables.
Tambien para Sridhara, Michael y Gautier como coordinadores del grupo de F´ısica
Electrod´ebil de CMS por la confianza puesta en mi; y para Jeff, Georgios y Luca,
y todos aquellos otros con los que he tenido la suerte de trabajar en este periodo -
y compartir la locura de los primeros datos y los primeros papers. Especialmente
gracias a los estudiantes, Michele, Pieter, Phil y todos los dem´as. Por las noches
delante de un ordenador ”cazando” los primeros candidatos, y luchando contra reloj
con luminosidades y eficiencias.
Para mis profesores, desde los primeros anos˜ de colegio hasta los ulti´ mos ex´amenes
de lafacultad, yaque les deboel seguirconservando el sueno˜ de entender un poquito
mejor el mundo.
Y c´omo no, para las entregadas, por ser las mejores companeras˜ de despacho del
mundo. Carmen por ser la m´as loca (aunque disimule); Cristina por siempre tener