Production of Z bosons in proton-proton collisions at root out s = 10 TeV: Expectations for early measurements at the ATLAS experiment

The production of the Z boson in proton-proton collisions at the LHC serves as a standard candle at the ATLAS experiment during early data-taking. The decay of the Z into an electron-positron pair gives a clean signature in the detector that allows for calibration and performance studies. The cross-section of ~ 1 nb allows first LHC measurements of parton density functions. In this thesis, simulations of 10 TeV collisions at the ATLAS detector are studied. The challenges for an experimental measurement of the cross-section with an integrated luminositiy of 100 pb−1 are discussed. In preparation for the cross-section determination, the single-electron efficiencies are determined via a simulation based method and in a test of a data-driven ansatz. The two methods show a very good agreement and differ by ~ 3% at most. The ingredients of an inclusive and a differential Z production cross-section measurement at ATLAS are discussed and their possible contributions to systematic uncertainties are presented. For a combined sample of signal and background the expected uncertainty on the inclusive cross-section for an integrated luminosity of 100 pb−1 is determined to 1.5% (stat) +/- 4.2% (syst) +/- 10% (lumi). The possibilities for single-differential cross-section measurements in rapidity and transverse momentum of the Z boson, which are important quantities because of the impact on parton density functions and the capability to check for non-pertubative effects in pQCD, are outlined. The issues of an efficiency correction based on electron efficiencies as function of the electron’s transverse momentum and pseudorapidity are studied. A possible alternative is demonstrated by expanding the two-dimensional efficiencies with the additional dimension of the invariant mass of the two leptons of the Z decay.Die Produktion von Z Bosonen in Proton-Proton-Kollisionen am LHC dient als Standardkerze beim ATLAS-Experiment in der ersten Phase der Datennahme. Der Z-Zerfall in ein Elektron-Positron-Paar weist eine eindeutige Signatur im Detektor auf, was Leistungsstudien und dessen Kalibrierung ermöglicht. Der Wirkungsquerschnitt von ~ 1 nb erlaubt erste LHC-Messungen von Parton-Dichteverteilungen. In der vorliegenden Arbeit werden Simulationen von 10-TeV-Kollisionen studiert. Es werden die Herausforderungen einer experimentellen Messung des Wirkungsquerschnitts mit einer integrierten Luminosität von 100 pb−1 diskutiert. In Vorbereitung auf die Wirkungsquerschnittsmessung werden die Einzelelektron-Effizienzen auf Simulationsbasis und im Test einer datenbasierten Methode bestimmt. Beide Vorgehensweisen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung und unterscheiden sich höchstens um ~ 3%. Die einzelnen Bestandteile einer inklusiven und differentiellen Z-Produktions-Wirkungsquerschnitts-Messung bei ATLAS werden diskutiert und deren möglichen Beiträge zu systematischen Unsicherheiten präsentiert. Für eine Selektion aus Signal- und Untergrundereignissen wird die zu erwartende Unsicherheit auf den inklusiven Wirkungsquerschnitt für eine integrierte Luminosität von 100 pb−1 bestimmt zu 1.5% (stat) +/- 4.2% (syst) +/- 10% (lumi). Die Möglichkeiten für einfach-differentielle Wirkungsquerschnittmessungen in Rapidität und transversalem Impuls des Z-Bosons, welche wichtige Parameter in Bezug auf Parton-Dichteverteilungen und bezüglich des Studiums nicht-pertubativer Effekte im Rahmen der pQCD sind, werden dargelegt. Die Schwierigkeiten einer Effizienzkorrektur basierend auf Elektron-Effizienzen, die Funktionen von Transversalimpuls und Pseudorapidität des Elektrons sind, werden studiert. Eine mögliche Alternative durch Hinzufügen einer weiteren Dimension – nämlich der invarianten Masse des Leptonpaars – wird aufgezeigt