Academic literature on the topic 'Haute Luminosité-LHC'

Prévue pour 2024, une série d’améliorations doit être apportée au grand collisionneur d’hadrons du CERN (LHC) de manière à élargir son potentiel de découverte de nouvelle physique. Cette thèse se situe dans la perspective des études d’amélioration du détecteur ATLAS dans ce nouvel environnement, et concerne une nouvelle technologie monolithique HV/HR CMOS qui pourrait être utilisée pour les détecteurs de traces centraux pixélisés. Cette technologie a le potentiel de permettre la réduction de l’épaisseur des détecteurs, d'augmenter la granularité ainsi que de réduire les couts de production.Au sein de la collaboration HV/HR CMOS d’ATLAS, divers prototypes ont été développés en utilisant les technologies de différents partenaires industriels : GlobalFoundries (GF) BCDlite 130 nm et LFoundry (LF) 150 nm entre autres. Pour comprendre le comportement électrique et la capacité de détection de telles technologies, des simulations TCAD -Technology Computer Aided Design- en 2D et 3D ont été réalisées pour extraire le profil de la zone déplétée, la tension de claquage, la capacitance ainsi que la collection de charges ionisées des prototypes. Le développement de systèmes de test complexes et la caractérisation des prototypes HV/HR CMOS ont aussi été une partie du travail fourni pour cette thèse. Les programmes d’acquisition, en particulier pour ce qui concerne les tests sous protons ou auprès d’irradiateurs à rayons X, ainsi que les programmes de réglages de seuil ont été implémenté dans divers systèmes de test. Plusieurs versions des prototypes développés dans 3 technologies HV/HR CMOS différentes (AMS 0.18 μm HV, GF BCDlite 130nm et LF 150nm) ont été caractérisées
A major upgrade to the Large Hadron Collider (LHC), scheduled for 2024 will be brought to the machine so as to extend its discovery potential. This PhD is part of the ATLAS program and aims at studying a new monolithic technology in the framework of the design of an upgraded ATLAS inner tracker. This new type of sensor is based on a HV/HR CMOS technology, which would potentially offer lower material budget, reduced pixel pitch and lower cost with respect to the traditional hybrid pixel detector concept.Various prototypes have been developed using different HV/HR CMOS technologies from several industrial partners, within the ATLAS HV/HR collaboration, for instance Global Foundry (GF) BCDlite 130 nm and LFoundry (LF) 150 nm. In order to understand the electric behavior and the detection capabilities of these technologies, 3D and 2D Technology Computer Aided Design (TCAD) simulations have been performed to extract the depletion zone profile, the breakdown voltage, the leakage current, the capacitance as well as the charge collection of the prototypes. Test setup developments and characterizations of the HV/HR CMOS prototypes were also part of this thesis. The data acquisition programs, in particular dedicated to the proton test beams, X-ray sources and threshold tuning, have been implemented into various test setups. Several HV/HR CMOS prototypes developed in three HV/HR technologies, AMS 0.18 µm HV, GF BCDlite 130 nm and LF 150 nm, have been characterized

Un des principaux objectifs de l'expérience ATLAS auprès du LHC est l'observations ou l'exclusion de nouvelle physique au-delà du Modèle Standard, en passant par les mesures de sections efficaces de production de processus du Modèle Standard. Sachant que le taux de production d'une particule dépends de sa section efficace de production ainsi que de la luminosité, il est necessaire de mesurer cette luminosité avec une grande précision. L'expérience ATLAS possède plusieurs détecteurs capable de mesurer la luminosité, dont les deux principaux: LUCID (Luminosity measurement Using Cerenkov Integrating Detector), et BCM (Beam Condition Monitor). Ces détecteurs sont calibrés absolument pendant des prises de données dédiées appelés van der Meer scans, qui ont permis d'obtenir une erreur systématique sur la détermination de la luminosité de 3.4% en 2010. Afin d'obtenir un maximum de différentes approches à la luminosité, plusieurs autres détecteurs contribuent aux différentes comparaisons. Ce document présente les calorimètres à argon liquide du détecteur ATLAS, et en particulier la mise en route et l'opération de leur système haute-tension. Il est montré qu'en mesurant les courant de ce système haute-tension pendant les prises de données de collisions de protons, il est possible d'obtenir des signaux proportionnels a la luminosité. En calibrant ces courants par rapport a un autre luminomètre, il est montré que cette calibration est stable au niveau de 0.5%
The main goals of the ATLAS scientific programme are the observation or exclusion of physics beyond the Standard Model (SM), as well as the measurement of production cross-sections of SM processes. As the rate of events N of a given physics process is linked to the cross-section through the luminosity, it is important to measure the luminosity with great precision. The ATLAS experiment has two major luminosity monitors, LUCID (Luminosity measurement Using Cerenkov Integrating Detector), which consists of Cerenkov tubes located around the beam axis 17m away from the interaction point, and BCM (Beam Condition Monitor) which is a diamond-based detector and has both beam-abort and luminosity capabilities. As these detectors provide a relative luminosity measurement, they were absolutely calibrated in 2010 using the van der Meer procedure, achieving a total systematic uncertainty of 3.4%. The ultimate plan is to provide an absolute calibration using the ALFA detector during a run with special beam optics. In order to provide more cross-checks and a better control on the systematic uncertainties, other luminosity handles are always needed. In particular, an independent measurement using the liquid argon forward calorimeter (FCal), based on the readout current of its high-voltage system, has been developed. This document presents the commissioning and operations of the ATLAS liquid argon calorimeter high-voltage system, as well as its usage to perform a luminosity determination. Analysis of the high-voltage currents during LHC collisions and comparisons with other luminosity detectors have led to a calibration of these currents with a precision better than 0.5%

Une particule ayant une masse de 125 GeV a été observée en 2012 grâce au grand collisionneur de hadrons (Large Hadron Collider - LHC) par les collaborations ATLAS et CMS. Cette particule fut associée au boson de Higgs ou boson BEH, dont l'existence fut prédite en 1964 par François Englert, Robert Brout et Peter Higgs. Cette particule permit de valider l'existence du mécanisme BEH, expliquant l'origine de la masse des particules découverte dès lors et de la brisure de symétrie électrofaible.Depuis sa découverte, il est devenu crucial de sonder les différentes propriétés que l'on confère au boson de Higgs. En particulier, l'auto-couplage du boson de Higgs est une des propriétés les plus attendues et une mesure de ce paramètre permettrait d'obtenir une mesure directe du potentiel de Higgs dans le vide. Cette mesure se réalise grâce à la production de di-Higgs au LHC, en exploitant différents canaux de désintégrations.Cette thèse porte sur l'étude de la désintégration de la paire de boson de Higgs en deux leptons légers de même charge (appelé signature ou 2lSS), dans le cadre du Run2 du LHC correspondant à une luminosité intégrée de 139 fb⁻¹ et une énergie de centre de masse de √s = 13TeV. L'étude utilise des simulations Monte-Carlo et vise à développer une stratégie basée sur le machine Learning afin de maximiser la distinction entre le signal (2lSS issues de la désintégration de la paire de Higgs) et les bruits de fond (ensemble des processus produisant la signature). Une étude sur l'estimation des bruits de fond ainsi que sur l'estimation des incertitudes systématiques y sont aussi présentées.Enfin, bien que la mesure de l'auto-couplage puisse être contrainte par le Run2, sa mesure directe est attendue pour la phase de haute luminosité du LHC (HL-LHC). Cette phase implique une augmentation de la luminosité instantanée par un facteur 5, nécessitant une actualisation du détecteur ATLAS afin de garantir des performances comparables à celles du Run2, malgré l'augmentation des radiations et de l'effet d'empilement. De ce fait, un nouveau détecteur en temps à haute granularité (HGTD) sera ajouté. Une étude portant sur l'électronique de lecture de ce futur détecteur est présentée dans cette thèse, déterminant les performances en banc de tests ou lors de tests d'irradiations
A bosonic particle with a mass equal to 125GeV was observed in 2012, by ATLAS and CMS collaborations at the Large Hadron Collider (LHC). This particle was associated with the Higgs Boson or BEH boson, predicted fifty years before its discovery by François Englert, Robert Brout and Peter Higgs. This particle validates the BEH mechanism, explaining the origin of the mass of known particles and the electroweak symmetry breaking.Since its discovery, it has become crucial to probe the various properties of the Higgs boson such as the Higgs self-coupling. The success in probing Higgs self-coupling will bring another probe of the standard model and will provide a direct measurement of the Higgs field potential in the vacuum. This measure is performed through a global analysis of the di-Higgs (HH) production at LHC, decaying into various channels.This thesis focuses on the study of the decay of the Higgs boson pair into two light leptons with the same charge (referred to as 2lSS) within the context of the Run2 at LHC, providing an integrated luminosity of 139 fb⁻¹ and a centre of mass energy of √s = 13 TeV. The study based on Monte-Carlo simulations aims to develop a machine learning-based strategy to discriminate the signal (2lSS originating from the decay of the Higgs boson pair ) from the background (all other processes producing 2lSS events). An analysis of background noise estimation and systematic uncertainty estimation is also presented in this work.Finally, although the measurement of the self-coupling can be constrained by Run2, its direct measurement is expected in the High-Luminosity phase of the LHC (HL-LHC). This phase involves a five-fold increase in instantaneous luminosity, requiring an upgrade of the ATLAS detector to ensure performance comparable to Run2 performances, despite the increase of radiation and pile-up effects. As a result, a new high-granularity timing detector (HGTD) will be added. A study on the readout electronics of this future detector is presented in this thesis, determining its performance in the test bench and during irradiation tests

Les principaux objectifs du programme scientifique de l'experience ATLAS sont l'observation ou l'exclusion de physique au-delà du Modèle Standard, ainsi que la mesure de sections efficaces de production de processus du Modèle Standard. Pour ce faire, il est important de mesurer la luminosité au point d'interaction avec une grande précision. Dans l'experience ATLAS, la luminosité est extraite à l'aide de plusieurs détecteurs possédant des efficacités et acceptances géométriques variées. Différentes méthodes, telles que le comptage inclusif (ou en coïncidence) d'événements, ainsi que des mesures de courants intégrés provenant des calorimètres, sont calibrées et comparées afin d'assurer une détermination précise de la luminosité. Afin de permettre une comparaison additionelle et un meilleur contrôle sur les incertitudes systématiques liées à la détermination de la luminosité, une mesure indépendante utilisant le compartiment avant du calorimètre électromagnétique, basé sur la mesure du courant de son système haute-tension, a été développée. Ce document décrit comment la mise en route dud système haute-tension du calorimètre à argon liquide du détecteur ATLAS, ainsi que son application à une mesure de luminosité.

Depuis la découverte du boson de Higgs par les expériences ATLAS et CMS en juillet 2012, il est devenu crucial de mesurer ses propriétés, tel que son couplage aux fermions, pour établir sa nature et déceler toute déviation possible par rapport aux prédictions du Modèle Standard. Le couplage Yukawa du quark top est le plus fort et ainsi joue un rôle majeur dans la découverte de nouvelle physique. La production du boson de Higgs en association avec une paire de quark top et sa désintégration en deux quarks b, ttH(H->bb), donne accès à ce couplage. Bien que la production ttH a été récemment établie par ATLAS et CMS en combinant plusieurs canaux dont ttH(H->bb), ce dernier n'a jamais était observé directement. La complexité de l'état final de ttH(H->bb) impliquant un grand nombre de b-jets, ainsi que la présence du bruit de fond dominant de la production de paire de quark top avec des jets additionnels (tt+jets), en particulier avec des b-jets (ttbb), sont les principaux défis de ce canal. Par conséquent, l'étiquetage des b-jets, appelé b-tagging, et le contrôle du bruit de fond ttbb sont des ingrédients clés pour cette analyse. Cette thèse présente la recherche de ttH(H->bb) avec 36.1 /fb de données LHC recueillies par le détecteur ATLAS en 2015 et 2016. Des techniques novatrices pour améliorer la sensibilité de l'analyse, exploitant les données complètes du Run 2, sont aussi développées. En particulier, des études détaillées sont présentées dont la mesure de la section efficace différentielle du bruit de fond ttbb. L'optimisation des algorithmes de b-tagging en vue du projet LHC à haute luminosité, après l'amélioration du trajectographe d'ATLAS, est également présentée
Since the discovery of the Higgs boson at a mass around 125 GeV by both ATLAS and CMS collaborations in July 2012, it became crucial to measure its properties, such as its couplings to fermions, and unravel any deviations from the Standard Model (SM) predictions. The top quark Yukawa coupling is the strongest in the fermionic sector and one of the best probes to shed light on phenomena beyond the SM. The Higgs boson production in association with a pair of top quarks and its subsequent decay into a pair of bottom quarks, ttH(H->bb), grants direct access to this coupling in addition to the bottom quark Yukawa coupling. Although the ttH production was recently established by both ATLAS and CMS combining several channels including ttH(H->bb), the latter has never been observed directly. The complexity of the ttH(H->bb) final state with a large number of b-jets, and the overwhelming background of the top pair production with additional jets (tt+jets), especially b-jets (ttbb), are the major challenges of this channel. Thus, b-jet identification referred to as b-tagging, and the control of the ttbb background are key ingredients for this analysis. This thesis presents the search for ttH(H->bb) performed with 36.1 /fb of LHC data collected by the ATLAS detector in 2015 and 2016. Novel techniques to improve the search sensitivity with full Run 2 data are also developed. Particularly, detailed studies are presented including a differential cross-section measurement of the main ttbb background. The optimization of the b-tagging algorithms in view of the High Luminosity LHC upgrade, after the replacement of the ATLAS inner detector, is also presented

Le trajectographe interne (ITk) de l'expérience ATLAS sera amélioré pour la nouvelle phase de prise de données du grand collisionneur de hadrons du CERN à haute luminosité (HL-LHC) en 2026. Le HL-LHC fonctionnera avec l’énergie nominale de collision est de 14 TeV et la luminosité instantanée maximale de 7,5 x (10)34 cm(−2) s(−1), cinq fois plus élevée qu’à présent. La luminosité accrue se traduira par des niveaux de rayonnement et des débits de données environ dix fois plus élevés. Afin de faire face aux exigences d’ATLAS en termes d’intensite du rayonnement, de vitesse de lecture et de granularité au HL-LHC, le remplacement de l’actuel ATLAS Inner Tracker (ITk) est nécessaire. Deux capteurs CMOS épuisés à grande échelle dans la technologie LF de 150 nm, appelés LF-CPIX et LF-MONOPIX, ont été développés dans le cadre de la mise à niveau ATLAS Inner Tracker (ITK) pour le LHC à haute luminosité. Le travail présenté ici montre la caractérisation de ces trois prototypes, avec des contributions concernant le développement de la configuration, le calibrage source 55 Fe et 90 Sr, les modifications du microprogramme FPGA et le développement de programmes de test. L’enquête sur la dureté du rayonnement pour l’électronique et les composants du capteur a été une préoccupation majeure. Nous montrerons les résultats concernant les caractérisations de ces prototypes dans les performances de laboratoire du CPPM, ainsi que les résultats de multiples campagnes de rayonnement conduites à l’installation de protons IRRAD de 24 GeV du CERN, afin d’étudier les effets de la perte d’énergie non ionisante (NIEL) et du Dose ionisante (TID) sur les prototypes
The Inner Tracker (ITk) system of the ATLAS experiment will be upgraded for the 2026 High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) run. The HL-LHC will operate with a center of mass energy of 14 TeV and a peak instantaneous luminosity five times higher than at present. The increased luminosity will result in roughly ten times higher radiation levels and data rates. To cope with the ATLAS requirements in terms of radiation hardness, readout speed and granularity at the HL-LHC, the replacement of the present ATLAS Inner Tracker (ITk) is needed. Two large-scale depleted CMOS sensors in the 150 nm LF-technology called LF-CPIX and LF-MONOPIX, developed in the framework of the ATLAS Inner Tracker (ITK) upgrade for High Luminosity LHC. The work presented here shows the characterization for these three prototypes, with contributions concerning the setup development, 55Fe and 90Sr source calibration, modifications of the FPGA firmware and development of test programs. A main concern was the investigation on the radiation hardness for both the electronics and the sensor parts. We will show results concerning characterizations for these prototypes in the laboratory performance at CPPM, as well as results in multiple radiation campaigns performed at the 24 GeV IRRAD proton facility at CERN, to study the effects of Non-Ionizing Energy Loss (NIEL) and Total Ionizing Dose (TID) on the prototypes

La première prise des données du LHC (2010-2012) a été marquée par la découverte du boson scalaire, dit boson de Higgs. Sa masse a été mesurée avec une précision de 0.2% en utilisant ses désintégrations en deux photons et celles en deux bosons Z donnant quatre leptons dans l’état final. Les couplages ont été estimés en combinant plusieurs états finaux, tandis que la précision sur leur mesure pourra bénéficier énormément de la grande statistique qui sera accumulée pendant les prochaines périodes de prise des données au LHC (Run 2, Phase 2).Le canal H→ZZ*→4 leptons, a un rapport d'embranchement réduit mais présente un faible bruit de fond, ce qui le rend attractif pour la détermination des propriétés du nouveau boson. Dans cette thèse, l’analyse conduite pour la mise en évidence de ce mode dans l’expérience ATLAS est détaillée, avec un poids particulier porté à la mesure et au contrôle du bruit de fond réductible en présence d’électrons.Dans le cadre de la préparation de futures prises de données à très haute luminosité, prévues à partir de 2025, deux études sont menées:La première concerne l’observabilité du mode de production du boson de Higgs en association avec des quarks b. Une analyse multivariée, basée sur des données simulées, confirme un très faible signal dans le canal H→2 photons.La seconde concerne la conception et le développement d’un détecteur interne en silicium, adapté à l’environnement hostile, de haute irradiation et de taux d’occupation élevée, attendues pendant la Phase 2 du LHC. Des études concernant l’optimisation de la géométrie, l’amélioration de l’efficacité ainsi que la résistance à l’irradiation ont été menées. A travers des mesures SiMS et des simulations des procédés de fabrication, les profiles de dopage et les caractéristiques électriques attendues pour des technologies innovantes sont explorés. Des prototypes ont été testés sous faisceau et soumis à des irradiations, afin d’évaluer les performances du détecteur et celles de son électronique associée
The discovery of a scalar boson, known as the Higgs boson, marked the first LHC data period (2010-2012). Using mainly di-photon and di-Z decays, with the latest leading to a four leptons final state, the mass of the boson was measured with a precision of <0.2%. Relevant couplings were estimated by combining several final states, while corresponding uncertainties would largely benefit from the increased statistics expected during the next LHC data periods (Run 2, Phase 2).The H→ZZ*→4l channel, in spite of its suppressed brunching ratio, benefits from a weak background, making it a prime choice for the investigation of the new boson’s properties. In this thesis, the analysis aimed to the observation of this mode with the ALTAS detector is presented, with a focus on the measurement and control of the reducible electron background.In the context of preparation for future high luminosity data periods, foreseen from 2025 onwards, two distinct studies are conducted:The first concerns the observability potential of the Higgs associated production mode in conjunction with two b-quarks. A multivariate analysis based on simulated data confirms a very weak expected signal in the H→di-photon channel.The second revolves around the conception and development of an inner silicon detector capable of operating in the hostile environment of high radiation and increased occupancy, expected during LHC Phase 2. Main studies were concentrated on improving radiation hardness, geometrical and detection efficiency. Through fabrication process simulation and SiMS measurements, doping profiles and electrical characteristics, expected for innovative technologies, are explored. Prototypes were designed and evaluated in test beams and irradiation experiments in order to asses their performances and that of associated read-out electronics