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Abstract

At hadron-hadron colliders, it is almost impossible to obtain pure samples in either quark- or gluon-initialized hadronic showers as one always deals with a mixture of particle jets. The analysis presented in this dissertation aims to break the aforementioned degeneracy by extracting the underlying fractions of (light) quarks and gluons through a measurement of the relative production rates of multijet events. A measurement of the triple-differential multijet cross section at a centre-of-mass energy of 13 TeV using an integrated luminosity of 139 fb −1 of data collected with the ATLAS detector in proton-proton collisions at the Large Hadron Collider (LHC) is presented. The cross section is measured as a function of the transverse momentum p T , two categories of pseudorapidity η rel defined by the relative orientation between the jets, as well as a Jet Sub-Structure (JSS) observable O JSS , sensitive to the quark- or gluon-like nature of the hadronic shower of the two leading-p T jets with 250 GeV < p T < 4.5 TeV and |η| < 2.1 in the event. The JSS variables, which have been studied within the context of this thesis, can broadly be divided into two categories: one set of JSS observables is constructed by iteratively declustering and counting the jet’s charged constituents; the second set is based on the output predicted by Deep Neural Networks (DNNs) derived from the “deep sets” paradigm to implement permutation invariant functions over sets, which are trained to discriminate between quark- and gluon- initialized showers in a supervised fashion. All JSS observables are measured based on Inner Detector tracks with p T > 500 MeV and |η| < 2.5 to maintain strong correlations between detector- and particle-level objects. The reconstructed spectra are fully corrected for acceptance and detector effects, and the unfolded cross section is compared to various state-of-the-art parton shower Monte Carlo models. Several sources of systematic and statistical uncertainties are taken into account that are fully propagated through the entire unfolding procedure onto the final cross section. The total uncertainty on the cross section varies between 5 % and 20 % depending on the region of phase space. The unfolded multi-differential cross sections are used to extract the underlying fractions and probability distributions of quark- and gluon-initialized jets in a solely data-driven, model- independent manner using a statistical demixing procedure (“jet topics”), which has originally been developed as a tool for extracting emergent themes in an extensive corpus of text-based documents. The obtained fractions are model-independent and are based on an operational definition of quark and gluon jets that does not seek to assign a binary label on a jet-to-jet basis, but rather identifies quark- and gluon-related features on the level of individual distributions, avoiding common theoretical and conceptional pitfalls regarding the definition of quark and gluon jets. The total fraction of gluon-initialized jets in the multijet sample is (IRC-safely) measured to be 60.5 ± 0.4(Stat) ⊕ 2.4(Syst) % and 52.3 ± 0.4(Stat) ⊕ 2.6(Syst) % in central and forward region, respectively. Furthermore, the gluon fractions are extracted in several exclusive regions of transverse momentum.

Translation of abstract (German)

An Hadronenbeschleunigern ist es schwerlich möglich, Datensätze zu generieren, welche sich jeweils ausschließlich aus quark- sowie gluonen-basierten Teilchenjets zusammensetzen; entsprechend schwierig gestaltet sich das Studium spezifischer Eigenschaften dieser funda- mentalen Elementarteilchen an besagten Apparaturen. Die im Rahmen dieser Dissertation dargebotene Analyse ist ein Beitrag, die vorgenannte Problematik bezüglich der unbekannten Komposition hinsichtlich Quarks und Gluonen zu adressieren, um deren prozentuale Anteile in einem Ensemble von hadronischen Jets zu bestimmen. Die vorliegenden Arbeit präsentiert eine Messung des dreifach differentiellen Wirkungs- querschnitts der relativen Rate von Kollisions-Ereignissen mit mindestens zweier Teilchenjets (Multijets), basierend auf insgesamt 139 fb −1 Proton-Proton Kollisionen, welche mit dem ATLAS-Detektor am Großen Hadronen-Speicherring am CERN im Zeitraum von 2015 bis einschließlich 2018 mit eine Schwerpunktsenergie von 13 TeV aufgezeichnet wurden. Der Produktions-Wirkungsquerschnitt wird in Abhängigkeit des transversalen Impulses p T , zwei Kategorien der relativen Jet-(Pseudo-)Rapitität η rel sowie einer topologischen Jet-SubStruktur- Variablen (JSS) O JSS , welche sensitiv bezüglich des hadronischen Endzustandes in Gluon- und Quark-Schauern ist, für die beiden hochenergetischsten Teilchenjets der Kollision mit 250 GeV < p T < 4.5 TeV und |η| < 2.1 gemessen. Die JSS-Variablen, die im Rahmen dieser Arbeit gemessen werden, lassen sich grob in zwei Kategorien unterteilen: Ein Satz von Struktur-Observablen ergibt sich aus dem iter- ativen „Zählen“ der Emissionen eines mittels des Soft-Drop-Algorithmus’ rekonstruierten beziehungsweise rekombinierten Teilchenjets; die zweite Gruppe bildet die Ausgabe zweier Neuronaler Netzwerke, welche allesamt auf der „Deep-Set-Architecktur“ basieren und derart trainiert wird, um zwischen quark- und gluonen-initialisierten Jets zu diskriminieren. Alle JSS-Observablen werden auf Grundlage innerer Detektorspuren mit einem Transver- salimpuls von p T > 500 MeV sowie |η| < 2.5 gemessen, um eine ausrechende Korrelation zwis- chen Detektor- und Teilchenebene für den nachfolgenden Entfaltungsprozess zu gewährleisten. Die gemessenen Spektren werden vollständig entfaltet und für Detektor- sowie Akzeptanz- effekte korrigiert und die finalen Wirkungsquerschnitte mit den Vorhersagen einiger mod- erner, zeitgenössischer Monte-Carlo-Generatoren verglichen. Zusätzlich werden eine Vielzahl an zugehörigen systematischen und statistischen Messunsicherheiten bezüglich des relativen Produktions-Wirkungsquerschnitts bestimmt. Resümierend lässt sich sagen, dass die Unsicher- heit des Wirkungsquerschnittes zwischen 5 % und 20 % je nach Phasenraumelement variiert. Der gemessene (differentielle) Wirkungsquerschnitt dient als Grundlage, die zugrunde liegen- den Anteile an quark- und gluonen-initialisierten Jets sowie deren Wahrscheinlichkeitsverteilun- gen auf eine rein datengestützte, modellunabhängige Art und Weise zu ermitteln. Dabei wird auf eine adaptiertes Verfahren namens „Jet-Topics“ zurückgegriffen, welches ursprünglich im Rahmen der Computerwissenschaften zur Extrahierung thematischer Inhalte in einem umfangreichen Korpus von textbasierten Dokumenten entwickelt wurde. Die gewonnenen Anteile an Quarks und Gluonen sowie die dazugehörigen Wahrscheinlichkeitsverteilungen sind vollständig modellunabhängig und basieren auf einer operationalen Definition von Quark- und Gluonen-Jets, die quark- und gluonen-bezogene Charakteristika auf Ebene des rekonstruierten Wirkungsquerschnitts anstatt auf der Stufe individueller Teilchenjets definiert. Der prozentuale Anteil an mit Gluonen kompatiblen Jets liegt bei 60.5 ± 0.4(Stat) ⊕ 2.4(Syst) % sowie 52.3±0.4(Stat)⊕2.6(Syst) % in den jeweiligen (Pseudo-)Rapiditäts-Kategorien. Des Weiteren werden die Anteile an Gluonen in mehreren disjunkten Intervallen des Transversal- Impulses bestimmt.