The Large Hadron Collider (LHC) - a proton-proton collider with the highest center-of-mass energy which surpasses the revious energy frontier - was built at CERN to investigate the TeV energy region where the existence of undiscovered physics such as the origin of the electroweak symmetry breaking and the Supersymmetry is expected. The LHC started operation on 30 March, 2010, then has been delivering proton-proton collision events.

The ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) experiment is held using one of the two general purpose detectors placed at the LHC. The detector is designed to exploit the full physics potential of the LHC.

In this thesis, a measurement of the W and Z-boson production cross sections in proton-proton collisions at ps=7 TeV are presented in the W → μν and Z →μμ processes using the data collected with the ATLAS detector. The integratedluminosity used in the W → μν analysis is 310 nb-1 and in the Z ! μμ analysisis 331 nb-1.

This production cross sections measurement is particularly significant in two aspects. One is to provide the first test of QCD prediction on the distribution of partons in proton-proton collisions at ps=7 TeV. This will constitute a solid basis for every physics analysis performed in the ATLAS experiment. The other is to establish an event selection criterion for Z → μμ process. This process plays a central role in the precise calibrations of detectors and algorithms for its ease of identification and the precise knowledge of the Z-boson mass and width.

The muon detection efficiency of the ATLAS detector is estimated using experimental data. The muon trigger efficiency is estimated by counting the number of muon trigger signatures on the path of a given reconstructed muon track. The data taken by triggers based on the calorimeter information are used to avoid trigger biases. The muon reconstruction efficiency is estimated with respect to a track reconstructed in the inner tracking detector. In the estimation, about half the number of the layers in the muon spectrometer are required to be fired on the extrapolated path of a given inner detector track to reject non-muon backgrounds.

The results of both efficiency estimations are confirmed by other independent estimation using muons in Z → μμ process. This estimation provides the first trial of the detector performance measurement utilizing Z → μμ process in the ATLAS experiment.

The results of the cross sections measurement are as follows.

1181 W-bosons and 109 Z-bosons are observed in data. The σW × BR (W → μν)is measured with a transverse mass cut of MT > 40 GeV and σZ × BR (Z → μμ)is measured within an invariant mass window of 66 < mμμ < 116 GeV. All the results are in agreements with the theoretical prediction including next-to-next-to leading order QCD corrections. Comparisons between the measurement results and theoretical predictions are shown in Figure (a) and (b). (a) is for the W → μν and (b) is for the Z → μμ, respectively. The results of the previous experiments are also shown.

This measurement is the W and Z-boson production cross sections measurement performed at the highest center-of-mass energy ever.

本論文はアトラス検出器を用い重心系エネルギー7TeVでの陽子・陽子衝突におけるミューオンを伴う事象でのウィークボゾンの生成断面積を測定したものである。LHC加速器が2010年3月に稼働し、世界最高エネルギー(√s=7 TeV)の陽子陽子衝突を用いたTeVスケールの物理探索が行われている。陽子・陽子衝突の構造を理解することはLHCで行われる全ての物理解析において重要であり、理論的不定性の少ないW / Z 粒子の生成断面積は良いプローブとなる。こうしたウィークボゾンの生成のうち、ミューオンへの崩壊事象(Z→uu 、W→uv)はクリーンな信号であり、正確な生成断面積の測定が可能である。本論文は2010年4月から7月に取得された310nb-1(W→uv対して、Z→uuに対しては331nb-1)のデータを用い解析を行った。目的事象を選択する事象選択をおこなった後、W→uv事象については1181事象が選択され(バックグラウンド事象数は103.3+-10.9事象)、またZ→uu事象については109事象が選択された(バックグラウンド事象数は0.36+-0.16事象)。これらの結果からそれぞれの生成断面積として、という結果が得られた。これらはQCD理論のnext-to-next-leading orderの計算結果と良く一致する測定結果であった。

論文は13章からなり、まず第1章では物理的背景が述べられている。2章、3章ではLHC加速器、ATLAS検出器について詳しく述べられている。5章ではu粒子のトリガシステムについて、6章ではu粒子の再構成方法について述べられている。7章では使用したデータについて、8章で事象の再構成、選択方法について述べられている。9章、10章ではu粒子のトリガ、最構成効率について詳しく述べられている。そして、11章、12章でそれぞれW粒子、Z粒子の生成断面積の測定について書かれている。最後の13章では測定結果と理論との比較が述べられている。

本論文が使用したATLAS検出器は国際共同で運営されているものであるが、このウィークボゾンの生成断面積の解析はすべて久保田君が行ったものであり、論文提出者の寄与が十分大きいと判断する。

したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。