Recherche de la diffusion de bosons vecteurs dans l'état final sémi-leptonique avec le détecteur ATLAS et les données du Run 2 du LHC. Contribution à la construction du Détecteur Interne pour la phase à haute luminosité du LHC

Search for Vector Boson Scattering in semi-leptonic final states, with the ATLAS detector and the Run-2 Dataset. Contribution to the Inner Tracker Upgrade in view of the High-Luminosity LHC

• Auteur / Autrice : Anastasia Kotsokechagia
• Direction : Lydia Iconomidou-Fayard, Dimitris Varouchas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 17/03/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....) - Centre européen pour la recherche nucléaire
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Hélène Schune
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Susanne Kuehn, Claude Charlot, Kevin Einsweiler, Steven Schramm
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Susanne Kuehn, Claude Charlot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs à semiconducteurs

Modèle standard (physique)

Trajectographie

Grand collisionneur de hadrons

Expérience ATLAS

Analyse des données

Mots clés libres

Analyse de données

LHC

Modèle standard

Construction

Trajectographe interne

ATLAS

Data analysis

LHC

Standard Model

Construction

Tracking detector

ATLAS

Résumé

Dans cette thèse, la mesure de la diffusion de bosons vecteurs (VBS) dans le canal semi-leptonique est étudiée. Dans ce canal, l'un des deux bosons se désintègre leptoniquement tandis que le second se désintègre de manière hadronique en une paire de quarks. En raison de la section efficace de production très faible, le VBS est un canal très difficile à mesurer. Ce qui distingue ce processus des autres processus du LHC, ce sont les deux jets vers l'avant qui accompagnent la diffusion des bosons. Au cours de ma thèse, j'ai travaillé dans de nombreux aspects de l'analyse tels que: la modélisation du bruit de fond, le discriminant MVA, les incertitudes systématiques prises en compte dans la mesure ainsi que l'analyse statistique des résultats. La performance du jet vers l'avant est d'une importance primordiale dans cette analyse. Par conséquent, le travail de thèse commence par une étude détaillée de l'optimisation de la reconstruction du jet, en particulier le développement d'un algorithme pour atténuer les jets d'empilement dans la région d’avant ; dans ATLAS, afin d'utiliser des données physiques valides, dans toute analyse, le processus physique (à savoir le processus de diffusion dure) doit être distingué des processus de collision secondaires (à savoir les interactions d'empilement). Ceci est principalement réalisé par l'utilisation d'informations du trajectographe interne. Pour la partie avant du détecteur ATLAS, dépourvue de cette information, cette distinction est donc très difficile. Un autre moyen de marquage dans la région avant, basé sur la conservation de l’impulsion entre l'activité avant et l'activité se produisant dans la couverture du trajectographe, est utilisé dans cet algorithme. L'algorithme a été optimisé et diverses méthodes ont été testées. Le trajectographe interne d’ATLAS actuel est compatible avec la luminosité de conception du LHC de 10³⁴ cm⁻² s⁻¹. L'augmentation prévue de la luminosité vers la phase LHC à haute luminosité (HL) nécessite une refonte fondamentale du détecteur interne complet en raison à la fois de l'augmentation des dommages causés par le rayonnement et de l'occupation substantielle des sous-détecteurs. Pour le HL-LHC, le détecteur interne actuel d'ATLAS sera remplacé par un Inner Tracker (ITk) tout silicium. La conception du détecteur de pixels ITk présente une zone active et une granularité beaucoup plus élevées par rapport au détecteur de pixels actuel. Deux technologies de détecteurs différents à base de silicium sont considérées ; capteurs à pixels planaires et capteurs à pixels 3D. Les capteurs sont équipés d'une nouvelle puce de lecture, capable de répondre à toutes les exigences requises pour le LHC à haute luminosité. Une version prototype de la puce de lecture, appelée RD53A, a été conçue par la collaboration RD53. Dans la troisième partie de cette thèse, une caractérisation de la puce de lecture RD53A est effectuée. De plus, le nombre beaucoup plus important de modules et la granularité beaucoup plus fine utilisée par ITk, se traduit par une augmentation significative de la densité de puissance dans le détecteur. Pour cette raison, un schéma d'alimentation en série a été choisi. Dans ce schéma, les puces de lecture des modules de pixels sont alimentées en série par un courant constant ; tandis que les capteurs de plusieurs modules seront connectés à une ligne d'alimentation commune pour la tension d'épuisement. Cette architecture se traduit par une polarisation directe efficace sur certains capteurs dans certaines conditions de fonctionnement. Bien que la polarisation directe soit faible, elle peut toujours conduire à des courants non négligeables entre la face arrière du capteur et la puce de lecture, en particulier pour les capteurs irradiés avec des courants de saturation importants. Par conséquent, le comportement d'une telle chaîne d'alimentation série est également étudié dans le cadre de cette thèse.

The non-Abelian nature of the Standard Model (SM), predicts the existence of Quartic Gauge Couplings (QGC) that opens a window to study the details of the Electroweak Symmetry Breaking (EWSB) mechanism. Moreover, thanks to the Higgs boson and its specific couplings to the vector bosons the VBS cross section does not violate unitarity at about 1 TeV. Thus, measuring the QGC in Vector Boson Scattering (VBS) is considered a unique independent test of the SM nature of the Higgs boson. VBS results into topologies with two vector bosons and two jets produced at the forward region of the detector. In this thesis the VBS in semileptonic final states is studied. In the semileptonic VBS final states, one of the two bosons decays leptonically while the second hadronically into a pair of quarks. Due to the very low production cross section VBS is a very challenging channel to measure. What makes this process distinguishable with respect to other processes in LHC, is the two forward jets that accompany the boson scattering. During my thesis I worked in many aspects of the analysis such as; the background modelling, the MVA discriminant, the systematic uncertainties considered in the measurement as well as the statistical analysis of the results. Forward jet performance is of paramount importance in this analysis. Therefore the thesis work starts with a detailed study of optimizing the jet reconstruction, in particular developing an algorithm to mitigate the pileup jets in the forward region; in ATLAS, in order to make use of valid physics data , in any analysis, the physical process (namely hard-scatter process) has to be distinguished from secondary collision processes (namely pile-up interactions). This is mainly achieved by the use of tracking information. The forward part of the ATLAS detector, lacking this information is thus highly challenging. An alternative way of tagging in the forward region, based on momentum conservation between forward activity and activity happening within the tracking coverage, is being employed in this algorithm. The algorithm has been optimized and various methods have been tested.The actual ATLAS Inner Tracker is compatible with the LHC design luminosity of 10³⁴ cm⁻² s⁻¹. The foreseen increase of luminosity towards the High Luminosity (HL) LHC phase requires a fundamental re-design of the complete inner detector due to both, increased radiation damage, and substantial occupancy of the sub-detectors. For the HL-LHC, the current inner detector of ATLAS will be replaced by an all-silicon Inner Tracker (ITk). The ITk pixel detector design features a much higher active area and granularity with respect to the current pixel detector. Two different silicon based detector technologies are considered; planar-pixel sensors and 3D-pixel sensors. The sensors are equipped with a new readout chip, able to meet all the requirements needed for the high luminocity LHC. A prototype version of the readout chip, called RD53A, was designed by the RD53A collaboration. In the third part of this thesis a characterization of the RD53A readout chip is performed. Moreover, the much larger number of modules and the much finer granularity used by ITk, results in a significant increase in the power density in the detector. For this reason a serial powering (SP) scheme has been chosen. In this scheme, the readout chips of the pixel modules are powered in series by a constant current; while the sensors of several modules will be connected to a common supply line for the depletion voltage. This architecture results in an effective forward bias on some sensors under certain operating conditions. Although the forward bias will be small, it can still lead to non negligible currents between the sensor backside and the readout chip, in particular for irradiated sensors with large saturation currents. Therefore, the behavior of such a serial powering chain is also studied as part of this thesis.