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Abstract

The measurement of the partial decay width of the Z boson into invisible particles represents a precision test of the electroweak structure of the Standard Model of particle physics. In this thesis, a measurement of the invisible Z boson width with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider is presented using an integrated luminosity of 37 fb-1 of proton-proton collision data collected at a centre-of-mass energy of 13 TeV. Collision events with missing transverse momentum associated with at least one highly energetic jet are selected. Ratios of the obtained invisible Z boson decays to Z boson decays into pairs of oppositely charged electrons or muons, respectively, are constructed. These ratios are corrected for detector effects and combined into a ratio of branching fractions Rmiss. This ratio is then used in combination with the leptonic Z boson width, determined at the Large Electron-Positron Collider, to derive the invisible width of the Z boson. It is measured to be 506 ± 2 (stat.) ± 12 (syst.) MeV, which is in excellent agreement with the Standard Model prediction and with previous measurements. This result is the single most precise measurement of Γ_Z(inv) to date based on missing transverse momentum in the final state.

Translation of abstract (German)

Die Messung der partiellen Zerfallsbreite des Z-Bosons in unsichtbare Teilchen stellt einen präzisen Test der elektroschwachen Struktur des Standardmodells der Teilchenphysik dar. In dieser Arbeit wird eine Messung dieser Größe mit dem ATLAS Detektor am Large Hadron Collider unter der Verwendung von Proton-Proton Kollisionsdaten vorgestellt, die bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV produziert wurden und einer integrierten Luminosität von 37 fb-1 entsprechen. Es werden Ereignisse mit fehlendem Transversalimpuls, die mit mindestens einem hochenergetischen Jet assoziiert sind, selektiert. Verhältnisse der so erhaltenen unsichtbaren Z-Boson Zerfälle zu Zerfällen des Z-Bosons in Paare entgegengesetzt geladener Elektronen oder Myonen werden konstruiert. Diese Verhältnisse werden bezüglich Detektoreffekten korrigiert und zu einem Verhältnis der Verzweigungsverhältnisse Rmiss kombiniert. Diese Relation ergibt zusammen mit der leptonischen Zerfallsbreite des Z-Bosons, welche am Large Electron-Positron Collider gemessen wurden, Γ_Z(inv). Die gemessene unsichtbare Zerfallsbreite ist 506 ± 2 (stat.) ± 12 (syst.) MeV und zeigt damit sehr gute Übereinstimmung mit der Vorhersage des Standardmodells und mit vorherigen Messungen. Dieses Ergebnis ist zum jetzigen Zeitpunkt die präziseste Einzelmessung, die auf dem Endzustand mit fehlendem Transversalimpuls basiert.