Detector Optimization Studies and Light Higgs Decay into Muons at CLIC

Abstract

The Compact Linear Collider (CLIC) is a concept for a future e⁺e^- linear collider with a center-of-mass energy of up to 3 TeV. The design of a CLIC experiment is driven by the requirements related to the physics goals, as well as by the experimental conditions. For example, the short time between two bunch crossings of 0.5 ns and the backgrounds due to beamstrahlung have direct impact on the design of a CLIC experiment. The Silicon Detector (SiD) is one of the concepts currently being discussed as a possible detector for the International Linear Collider (ILC). In this thesis we develop a modified version of the SiD simulation model for CLIC, taking into account the specific experimental conditions. In addition, we developed a software tool to investigate the impact of beam-related backgrounds on the detector by overlaying events from different simulated event samples. Moreover, we present full simulation studies, determining the performance of the calorimeter and tracking systems. We show that the track reconstruction in the all-silicon tracker of SiD is robust in the presence of the backgrounds at CLIC. Furthermore, we investigate tungsten as a dense absorber material for the hadronic calorimeter, which allows for the construction of a compact hadronic calorimeter that fulfills the requirements on the energy resolution and shower containment without a significant increase of the coil radius. Finally, the measurement of the decays of light Higgs bosons into two muons is studied in full simulation. We find that with an integrated luminosity of 2 ab^-1, corresponding to 4 years of data taking at CLIC, the respective Higgs branching ratio can be determined with a statistical uncertainty of approximately 15%.

Der Compact Linear Collider (CLIC) ist ein Konzept für einen zukünftigen e⁺e^--Linearbeschleuniger mit einer Schwerpunktsenergie von bis zu 3 TeV. Das Design eines CLIC-Experiments wird bestimmt durch die Anforderungen die sowohl aus den physikalischen Zielsetzungen als auch aus der experimentellen Umgebung herrühren. Zum Beispiel haben die kurze Zeit zwischen zwei Strahlkreuzungen von 0.5 ns und die Untergründe durch die Beamstrahlung direkte Auswirkungen auf den Aufbau eines CLIC- Experiments. Der Silicon Detector (SiD) ist eines der Detektorkonzepte, die momentan als mögliche Experimente für den International Linear Collider (ILC) diskutiert werden. In dieser Arbeit entwickeln wir eine modifizierte Version des SiD-Simulationsmodels, wobei die CLIC-spezifischen Anforderungen berücksichtigt werden. Außerdem haben wir ein Computerprogramm entwickelt, um die Effekte der strahlinduzierten Untergründe auf den Detektor zu untersuchen, indem simulierte Ereignisse aus verschiedenen Simulationen überlagert werden. Zudem stellen wir Simulationsstudien vor, in denen die Leistungsfähigkeit der Kalorimeter und der Spurdetektoren bestimmt werden. Wir zeigen, dass die Spurrekonstruktion in den in SiD vorgesehenen Siliziumspurdetektoren nicht durch die bei CLIC vorhandenen Untergründe beeinflusst wird. Des Weiteren untersuchen wir Wolfram als mögliches dichtes Absorbtionsmaterial für das hadronische Kalorimeter, was die Konstruktion eines kompakten hadronischen Kalorimeters erlaubt das sowohl die Anforderungen an die Energieauflösung als auch an die möglichst vollständige Absorbtion der Schauer erfüllt, ohne einen signifikant grösseren Spulenradius zu benötigen. Schließlich wird eine Simulationsstudie vorgestellt, in der Higgsbosonzerfälle in zwei Myonen gemessen werden. Mit einer gesammelten Luminosität von 2 ab^-1, was in etwa 4 Jahren Datennahme bei CLIC entspricht, kann das entsprechende Verzeigungsverhältnis mit einer statistischen Unsicherheit von ca. 15% bestimmt werden.