Measurements of jet production cross sections and studies of quantum chromodynamics with the CMS experiment at the LHC

Abstract

This dissertation presents a measurement of the double differential inclusive dijet cross section using proton-proton collision data collected in 2016, 2017, and 2018 by the CMS experiment at the CERN LHC. Collisions were performed at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 13 TeV with integrated luminosities of 33.5, 41.5 and, 59.3 fb^{-1}, respectively. Jets were reconstructed using the anti-kT clustering algorithm with a distance parameter of R = 0.8. Cross sections are measured as a function of the dijet invariant mass m_{1,2} and the maximum absoluterapidity |y|_{max} of the dijet system, defined by the two leading jets intransverse momentum pT. The distributions are unfolded to correct for detector effects and compared to fixed order predictions at next-to-next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics, including corrections for non-perturbative effects and extra electroweak radiation. A global fit is performed using the 2016 dataset to constrain the proton parton distribution functions (PDFs) and determine the strong coupling constant at the scale of the Z-boson mass, yielding a result ofaS(mZ) = 0.1179 +- 0.0019. The measured cross sections show good agreement with the theoretical predictions, leading to further constraints on PDFs, while the extracted aS(mZ) value aligns with the 2022 particle data group world average.

Αυτή η διατριβή παρουσιάζει μία μέτρηση της διπλά διαφορικής ενεργούς διατομής παραγωγής τουλάχιστον δύο πιδάκων σωματιδίων χρησιμοποιώντας δεδομένα από συγκρούσεις πρωτονίων-πρωτονίων που συλλέχθηκαν τα έτη 2016, 2017, και 2018 από το πείραμα CMS στον επιταχυντή LHC του CERN. Οι συγκρούσεις πραγματοποιούνται σε ενέργεια κέντρου μάζας sqrt(s) = 13 TeV και αναλογούν σε ολοκληρωμένη λαμπρότητα 33.5, 41.5, και 59.3 fb^{-1}, αντίστοιχα. Οι πίδακες σωματιδίων ανακατασκευάζονται μέσω του αλγόριθμου ομαδοποίησης anti-kT, χρησιμοποιώντας παράμετρο απόστασης R = 0.8. Η μέτρηση των ενεργών διατομών διεξάγεται ως συνάρτηση της αναλλοίωτης μάζας m_{1,2} και της μέγιστης απόλυτης ωκύτητας |y|_{max} του ζεύγους των πιδάκων με τη μεγαλύτερη εγκάρσια ορμή pT. Οι κατανομές αναδιπλώνονται για τη διόρθωσή τους από φαινόμενα του ανιχνευτή και συγκρίνονται με θεωρητικές προβλέψεις σε τρίτη τάξη στη θεωρία διαταραχών της κβαντικής χρωμοδυναμικής, οι oποίες έχουν διορθωθεί για μη διαταρακτικά φαινόμενα και επιπλέον ακτινοβολία λόγω ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων. Με χρήση των δεδομένων του έτους 2016, γίνεται μία καθολική προσαρμογή (global fit) για τον προσδιορισμό των συναρτήσεων κατανομής παρτονίων του πρωτονίου (PDFs) και τον υπολογισμό της σταθεράς ζεύξης των ισχυρών αλληλεπιδράσεων στην κλίμακα της μάζας του μποζονίου Z, αποδίδοντας το αποτέλεσμα aS(mZ) = 0.1179 +- 0.0019. Οι μετρούμενες κατανομές δείχνουν καλή συμφωνία με τις θεωρητικές προβλέψεις, οδηγώντας σε περαιτέρω περιορισμούς στα PDFs, ενώ η εξαγόμενη τιμή της aS(mZ)$ ταυτίζεται με την παγκόσμια μέση τιμή που δημοσιεύθηκε από την ομάδα σωματιδιακών δεδομένων (particle data group}) το έτος 2022.