Measurement of the inclusive and differential cross-sections for semileptonic ttbb production with the CMS detector at CERN and studies of the readout chip for the phase 2 upgrade of the CMS pixel detector

Contents 1 Introduction 9 2 Experimental Setup 11 2.1 The Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.1 Luminosity and Cross-Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 The CMS Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.1 Coordinate System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.2 Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.3 Calorimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.4 Magnet and Muon System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3 The Standard Model 21 3.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2 Quantum Electrodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3 Electroweak Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.4 Quantum Chromodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.5 Full Standard Model Lagrangian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.6 The Higgs Boson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.7 Top and Bottom Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 I Measurement of the Inclusive and Differential Cross-Sections for Semilep- tonic ttbb Production with the CMS Detector at CERN 31 4 Introduction 32 4.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.2 Previous Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.2.1 Cross-section Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.3 Analysis Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 5 Phase Space and Observables 38 5.1 Phase Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 5.2 Object Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 5.3 Observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 5.4 Signal and Background Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 6 Object and Event Selection 44 6.1 Trigger Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 6.2 Event Cleaning and Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 6.3 Detector-Level Object Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 6.3.1 Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 6.3.2 Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 6.3.3 Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 6.3.4 B Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 6.4 Detector-Level Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 7 ttB Identification 50 7.1 Signal Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 7.2 Jet Multiplicity Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 7.3 Ancillary Observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4 8 Unfolding Strategy 55 8.1 Fit Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 8.1.1 Migration Matrices and Ill-posedness Checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 8.1.2 Absolute and Normalized Differential Cross Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 8.2 Ancillary Observables in Unfolding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 8.3 Fit Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 8.3.1 Fits to Asimov Toy Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 8.3.2 Frequentist Toy Fits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 8.3.3 Fits to Alternative Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 9 Systematic Uncertainties 74 10 Results 79 10.1 Inclusive Fiducial Cross-Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 10.2 Normalized Differential Cross Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 11 Analysis Summary 90 II Studies of the Readout Chip for the Phase 2 Upgrade of the CMS Pixel Detector 92 12 Inner Tracker Upgrade 93 12.1 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 12.2 RD53 Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 13 Serial Powering Tests 97 13.1 Undershunt Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 13.1.1 Series Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 13.1.2 Parallel Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 13.2 Overvoltage Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 13.2.1 Parallel Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 13.2.2 Series Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 13.3 Comparison and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 14 Radiation Testing 106 14.1 Irradiation Campaign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 14.2 Voltage Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 14.3 Ring Oscillator Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 14.4 ADC Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 14.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 15 Conclusions and Outlook 11