Development of pixel detector for ATLAS Inner Tracker(ITK) upgrade at HL-LHC and Searching for the Standard Model Higgs boson decay into b-quark pair with ATLAS experiment

par Tasneem Saleem

Thèse de doctorat en Physique des particules

Sous la direction de Abdenour Lounis et de Luc Poggioli.

Le président du jury était Achille Stocchi.

Le jury était composé de Abdenour Lounis, Luc Poggioli, Achille Stocchi, Anna Macchiolo, Giovanni Marchiori, Marco Meschini.

Les rapporteurs étaient Anna Macchiolo, Giovanni Marchiori.

  • Titre traduit

    Développement d'un détecteur de pixels pour la mise à niveau d'ATLAS Inner Tracker (ITK) au HL-LHC et recherche du modèle standard désintégration du boson de Higgs en paire de b-quark avec l'expérience ATLAS


  • Résumé

    ATLAS est l'une des deux principales expériences du LHC dans le but d'étudier les propriétés microscopiques de la matière afin de répondre aux questions les plus fondamentales de la physique des particules. Après les réalisations accomplies lors de la première prise de données, le potentiel de nouvelles découvertes et de mesures précises au LHC est étendu en repoussant les limites en matière d’énergie dans le centre de masse et de luminosité grâce à trois mises à niveau de l’accélérateur aboutissant au LHC à haute luminosité (HL-LHC). Pour tirer pleinement parti de l'augmentation de la luminosité, deux mises à niveau principales du détecteur interne ATLAS sont prévues. La première mise à niveau était déjà achevée au début de l'année 2015 avec l'insertion de l'IBL, une quatrième couche de pixels située à seulement 3,2 cm de la ligne de faisceau. Dans la deuxième mise à niveau majeure, prévue pour 2024, le détecteur interne complet sera remplacé par un tout nouveau dispositif de suivi interne entièrement constitué de dispositifs en silicium pour faire face à la forte densité de particules et à l’environnement de rayonnement intense du HL-LHC, qui pendant son fonctionnement période fournira 3000 fb-1, près de dix fois la luminosité intégrée du programme complet du LHC. Cette thèse aborde l’étude de nouveaux détecteurs de pixels de bord actifs n + -in-p en développant deux nouvelles méthodes d'analyse du profil du dopage pour étudier les effets des dommages d’irradiation sur les performances des détecteurs de pixels. Ces méthodes sont la méthode d'imagerie 3D sims et la méthode TLM. La simulation TCAD a été utilisée pour simuler les profils de dopage, le comportement électrique et les dommages dus au rayonnement. La validation des modèles de simulation avec les données a été effectuée. De plus, la caractérisation de la salle blanche ainsi que la mesure sur un faisceau de test ont été effectuées pour tester les différentes conceptions de détecteurs. Dans la deuxième partie de la thèse, je discute de l'observation de la désintégration du boson de Higgs en une paire de quarks b à l’aide des données collectées par ATLAS lors du Run 2 du LHC à une énergie de 13 TeV dans le centre de masse et une luminosité intégrée de 79.8 $fb^{-1}$. J'ai contribué à l'analyse où le boson de Higgs est produit en association avec un boson de jauge W ou Z. L'analyse VH(bb) ne considérant pas les leptons tau, j'ai réalisé une étude estimant l'impact de leur utilisation sur l'analyse. De plus, pour l’analyse VH (bb), j’ai travaillé sur l’estimation de fond multi-jets dans le canal à 1 lepton en utilisant la méthode d’analyse dijet-masse.


  • Résumé

    ATLAS is one of the two main experiments at LHC with the purpose of investigating the microscopic properties of matter to address the most fundamental questions of particle physics. After the achievements of the first years of running, the potential reach for new discoveries and precise measurements at LHC is being extended by pushing further the energy and luminosity frontiers through three upgrades of the accelerator culminating in the High Luminosity LHC (HL-LHC). To fully profit from the increased luminosity, two main upgrades of the ATLAS inner detector are planned. The first upgrade was already completed at the beginning of 2015 with the insertion of the IBL, a fourth pixel layer located at just 3.2 cm from the beam line. In the second major upgrade, foreseen for 2024, the full inner detector will be replaced by a completely new inner tracker fully made of silicon devices to cope with the high particle density and the harsh radiation environment at the HL-LHC, which during its operational period will deliver 3000 fb-1, almost ten times the integrated luminosity of the full LHC program. This thesis addresses the study of new n+-in-p active edge pixel detectors by developing two novel doping profile analysis methods to study the radiation damage effects on the pixel detectors performance. These methods are the 3D sims imaging method and the TLM Method. TCAD simulation has been used to simulate the doping profiles, the electrical behavior and the radiation damage. Validating the simulation models with data have been done. Moreover, clean-room characterization, as well as testbeam measurement have been performed to test the different detector designs. In the second part of the thesis, I discuss the observation of the standard model Higgs boson bb decay mode using the data collected by ATLAS during the LHC Run2 at center-of-mass energy 13 TeV and an integrated luminosity 79.8 fb-1 of a proton-proton collision. I contributed specifically to the search of the standard model Higgs boson in VH(bb) production mode. In the VH(bb) analysis we don't have any channel that considers the tau leptons in the final state. I have performed a feasibility study to verify the gain of using the taus in the analysis. In addition, for the VH(bb) analysis I have worked on the multi-jet background estimation in the 1-lepton channel using the dijet-mass analysis method.


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