Étude des gerbes hadroniques à l'aide du prototype du calorimètre hadronique semi-digital et comparaison avec les modèles théoriques utilisés dans le logiciel GEANT4

par Arnaud Steen

Thèse de doctorat en Physique des particules

Sous la direction de Imad Laktineh et de Gérald Grenier.

Soutenue le 26-11-2015

à Lyon 1 , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec Institut de Physique Nucléaire de Lyon (laboratoire) .

Le président du jury était Didier Contardo.

Le jury était composé de Alberto Ribon, Frank Simon.

Les rapporteurs étaient Dominique Pallin, Laurent Serin.


  • Résumé

    Le Collisionneur Linéaire International ILC est un projet de collisionneur électron-positon développé pour prendre le relais du Grand Collisionneur de Hadrons LHC. Ce projet permettra d'étudier précisément les caractéristiques du nouveau boson de 125 GeV , découvert en 2012 par les expérience CMS et ATLAS, compatible avec le boson de Higgs du modèle standard. Cette expérience pourrait aussi permettre aux physiciens de mettre à jour des phénomènes physiques inconnus. Pour exploiter au maximum ce nouvel accélérateur, deux collaborations travaillent sur le développement de deux détecteurs : le Grand Détecteur International ILD et le Détecteur au Silicium SiD. Ces détecteurs sont dits généralistes et sont optimisés pour la mise en oeuvre de technique de suivi des particules. Ils sont constitués d'un trajectographe dans leur partie centrale et de systèmes de calorimétrie. L'ensemble est inséré dans un aimant supraconducteur, lui même entouré d'une culasse instrumentée avec des chambres à muon. Le groupe lyonnais dans lequel j'ai effectué mes travaux de recherche pendant mon doctorat, a grandement participé au développement du calorimètre hadronique à lecture semi-digitale. Ce calorimètre ultra-granulaire fait partie des options pour le calorimètre hadronique du Grand Détecteur International. Un prototype a été construit en 2011. D'environ 1 m3, il est constitué de 48 chambres à plaque résistive de verre, comporte plus de 440000 canaux de lecture de 1 cm2 et pèse environ 10 tonnes. Ce calorimètre répond aux contraintes imposées pour le Collisionneur Linaire International (une haute granularité, une consommation électrique faible, une alimentation pulsée etc) et est régulièrement testé sur des lignes de faisceau au CERN. Les données ainsi collectées m'ont permis d'étudier en détail le phénomène de gerbe hadronique. De nombreux efforts ont été réalisé pour développer des méthodes efficace de reconstruction de l'énergie des gerbes hadroniques et pour améliorer la résolution en énergie du prototype SDHCAL. La simulation des gerbes hadroniques dans le SDHCAL constitue une part importante de mes travaux de recherche. Une simulation réaliste des chambres à plaque résistive de verre a été développée en étudiant la réponse du prototype au passage de muons et de gerbes électromagnétiques. J'ai alors confronté les modèles de simulation des gerbes hadroniques avec des données expérimentales. La granularité du SDHCAL rend aussi possible des études fines sur la topologie des gerbes hadroniques, notamment sur leur extension latéraleet longitudinale. J'ai finalement pu étudier, en m'appuyant sur mes travaux de simulations, la reconstruction de la masse des bosons W et Z dans une simulation complète du Grand Détecteur International. Cette étude permet d'estimer les performances de l'ILD avec le SDHCAL et les techniques de suivi des particules

  • Titre traduit

    Hadronic shower study with the semi-digital hadronic calorimeter and comparison with theoretical models used in GEANT4


  • Résumé

    The International Linear Collider ILC is an electron-positron collider project proposed to become the next particle collider after the Large Hadron Collider LHC. This collider will allow to study, in details, the new 125 GeV boson, discovered in 2012 by CMS and ATLAS experiments. This new particle seems compatible with the standard model Higgs boson. The International Collider may also allow physicists to discover new physics. In order to operate this new collider, two collaborations are developing two detectors : the International Large Detector ILD and the Silicon Detector SiD. These general-purpose detectors are optimised for particle flow algorithms. The team from Lyon in which I worked during my Ph.D., has widely participated in the development of the semi-digital hadronic calorimeter SDHCAL. This high granular calorimeter is one option for the International Large Detector hadronic calorimeter. A prototype has been built in 2011. This 1 m3 prototype is made of 48 glass resistive plate chambers and contains more than 440000 electronic readout channels. This technological calorimeter is often tested with beam of particles at CERN. The collected allowed me to study the hadronic showers with many details. Methods to reconstruct precisely the hadronic showers energy has been developed in order to improve the SDHCAL energy resolution. My main contribution was the development of the hadronic shower simulation within the SDHCAL. A realistic simulation of the SDHCAL was performed by studying the SDHCAL response to the passage of muons and electromagnetic showers. I was then able to compared different simulation models with experimental data. The SDHCAL granularity allows precise studies on the hadronic showers topology, such as longitudinal and lateral shower extent. I finally worked on the W and Z boson mass reconstruction in a full simulation of the International Large Detector in order to study the performance of this calorimeter option with particle flow techniques


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