First measurement of very forward jets with CASTOR in CMS to probe the structure of the proton down to x_Bjorken ≈ 10⁻⁶

Diese Arbeit präsentiert stark vorwärts gerichtete Jets, die zum ersten Mal bei 13 TeV in Proton-Proton Kollisionen gemessen wurden. In hochenergetischen Teilchenkollisionen ist das Berechnen und Simulieren von hadronischen Endzuständen ein in der Theorie immer noch ungelöstes Problem. Effekte wie das sognannte ”underlying event” (UE) haben einen nicht unerheblichen Anteil an der Physik bei solchen Kollisionen. Dies ist dafür verantwortlich, dass der Untergrund bei Beschleunigerexperimenten sowie die Entwicklung von Luftschauern erzeugt durch Höhenstrahlung nur schwer abzuschätzen sind. ... mehrUm die hadronische Teilchenproduktion zu studieren, wurden hier Jets bei niedriger Strahlintensität während des LHC Run-2 aufgezeichnet. Wegen der günstigen Position des Kalorimeters in der Vorwärtsrichtung liegend ist man in der Lage, bis zu sehr kleinen Werten von x_Bjorken im Proton zu messen. Diese Messung ist sehr empfindlich auf diesen kinematischen Bereich der QCD und eine Möglichkeit die Effekte des UE zu untersuchen. Damit diese Messung gelingt, ist es nötig, die Rekonstruktionssoftware zu verbessern und die genaue Position des Kalorimeters innerhalb von CMS zu bestimmen. Hierfür wurden Daten zum erstem Mal kollaborationsübergreifend mit TOTEM und CMS gemeinsam aufgenommen und ein spezieller TOTEM-CMS Trigger entwickelt. Schlussendlich zeigen die aufgenommenen Daten, dass die Physik im untersuchten Bereich sehr sensitiv auf Effekte wie MultipartonKollisionen reagiert und dass Ereignisse mit zwei Jets in CASTOR dazu geeignet sind, die Kinematik von Partonen bei besonders niedrigen Werten von x_Bjorken zu studieren.

In this thesis very forward (−6.6 < η < −5.2) jets are introduced and measured for the first time in proton-proton collisions at 13 TeV. In high energy particle collisions the modeling of final state hadron production over a wide range in phase space is still an unsolved problem in theory. The effects known as ”underlying event” make a significant contribution to the physics in such collisions. The main manifestations of this are significant difficulties in estimating the backgrounds in LHC collisions, and to simulate high energy cosmic ray air showers. For a study of hadronic particle production, a jet measurement with the CASTOR calorimeter at the CMS experiment is performed using data recorded during the low intensity startup of LHC Run-2. ... mehrDue to the position of the detector in the very forward phase space it is possible to probe down to very low-x values of the proton momentum fraction. This unique measurement is sensitive to extreme kinematic regions in QCD collisions, providing an excellent opportunity to study the impact of the underlying event in this phase space. To achieve this challenging measurement the detector reconstruction software is improved and a new alignment procedure for the calorimeter is developed. For the first time a joint TOTEM-CMS trigger is introduced, and the data recorded with this trigger is used for the most precise detector alignment of CASTOR so far. Finally it is shown that the measured results are very sensitive to multi-parton interactions, and that exclusive dijet events in CASTOR can be used to maximize the sensitivity to low-x parton kinematics.