Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7402

Grid Computing for LHC and Methods for W Boson Mass Measurement at CMS

Christopher Jung

Abstract
In the Standard Model (SM) of particle physics, the masses of the Higgs boson, of the W boson and of the top quark are correlated via electroweak loop corrections. The experiments at the Large Hadron Collider (LHC) focus, amongst other goals, on checking the consistency of the SM and searching for ’new physics’. This thesis studies the measurement of the W boson mass at the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment.

At the LHC, a very large amount of data will be recorded because of the unprecedented center of mass energy and luminosity. As the computing resources for efficient data storage and processing exceed capabilities of a centralized computing approach, the LHC experiments have embraced grid computing. By using a tiered structure, different tasks are distributed to computing centers worldwide; still, the user has an easy access to all the resources.

The feasibility study of the W boson measurement presented in this thesis requires a large number of proton proton collisions to be simulated. As the computing demands of the simulation exceed the local resources, the analysis has relied on the use of computing resources on the grid. In this context, the local computing cluster was integrated into the grid and administrated.

The LHC experiments will record a much higher number of W boson and Z boson events than previous experiments. New methods, which use this higher statistics, can be employed for the W boson measurement. Two of these are the ’scaling method’ and the ’morphing method’. The scaling method compares observable distributions from W and Z boson events, while the morphing method uses an analytical transformation of Z boson events for modelling W boson events. The methods are investigated in their statistical resolution and in their systematic uncertainty for the effects of the early CMS detector in this thesis.

Grid Computing für LHC und Methoden zur W-Boson Massenmessung bei CMS

Zusammenfassung
Eines der Ziele der Experimente am Large Hadron Collider (LHC) ist es, die Konsistenz des Standard Modells der Teilchenphysik zu überprüfen. Im Standard Modell sind die Massen des Higgs-Bosons, des W-Bosons und des Top-Quarks über elektroschwache Schleifenkorrekturen korreliert. In dieser Arbeit wird die Messung der W-Boson-Masse am ’Compact Muon Solenoid (CMS)’-Experiment untersucht; für die Simulation der Proton-Proton-Kollisionen wurde Grid Computing genutzt.

Am LHC wird wegen der auf viele Jahre weltweit höchsten Schwerpunktsenergie und Luminosität eine sehr große Menge an Daten aufgezeichnet. Da die hierfür benötigten Computingresourcen für effiziente Datenspeicherung und -prozessierung die Fähigkeiten eines zentralisierten Computingansatzes übersteigen, haben sich die LHC-Experimente das Grid Computing zu eigen gemacht. Durch die Nutzung einer hierarchischen Gliederung werden verschiedene Aufgaben weltweit an Computingzentren verteilt; dennoch wird dem Benutzer ein einfachen Zugriff auf alle Ressourcen

gewährt.

Die Machbarkeitsstudie der W-Boson-Massenmessung, die in dieser Arbeit vorgelegt wird, benötigt die Simulation einer grosen Anzahl von Proton-Proton-Kollisionen; hierbei übersteigen die Computinganforderungen der Simulation die lokalen Resourcen. Daher beruht die Analyse auf der Nutzung der Computingresourcen im Grid. In diesem Zusammenhang wurde der lokale Computingcluster ins Grid integriert und administriert.

Die LHC-Experimente werden eine weit höhere Anzahl von W-Boson- und Z-Boson-Ereignissen aufzeichnen als die bisherigen Experimente. Neue Methoden, die diese höhere Statistik nutzen, können zur W-Boson-Massenmessung verwendet werden. Zwei dieser Methoden sind die ’Skalierungsmethode’ und die ’Morphingmethode’. Die Skalierungsmethode vergleicht Verteilungen von Observablen aus W-Boson- und Z-Boson-Ereignissen, während die Morphingmethode eine analytische Transformation von Z-Boson-Ereignissen für die Modellierung von W-Boson-Ereignissen nutzt. Beide Methoden werden in dieser Arbeit auf ihre statistische Auflösung und ihre systematische Unsicherheit durch Effekte des CMS-Detektors in der Anfangsphase untersucht und verglichen.

VOLLTEXT

BIBLIOTHEK