Date : 2023
Type : Livre / Book
Type : Thèse / ThesisLangue / Language : anglais / English
Grand collisionneur de hadrons
Classification Dewey : 539.77
Classification Dewey : 539.757
Classification Dewey : 539.721
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Résumé / Abstract : Le Large Hadron Collider (LHC) est un collisionneur protons-protons situé au CERN à Genève. Il a déjà permis de nombreuses avancées scientifiques dont la découverte du boson de Higgs en 2012. Depuis 2023, le LHC a été amélioré pour pouvoir délivrer une très haute luminosité, supérieure d'un facteur 5 au schéma initial. C'est ce qu'on appelle la phase HL-LHC (pour High Luminosity - LHC). Le but est d'obtenir une luminosité de 5 x 10^34 cm-2s-1 mais celle-ci pourrait atteindre 7 x 10^34cm-2s-1. Dans ce scénario, le nombre moyen de collisions par croisement de faisceaux serait de 200 (à comparer par exemple à 25 en 2012). Le collisionneur fournirait alors une luminosité intégrée de 4000 fb-1 en 12 ans. Le but de telles performances techniques est bien sûr d'accroître le potentiel de mesure des expériences, notamment en ce qui concerne les mécanismes de production du boson de Higgs ou la brisure de symétrie électrofaible, mais aussi l'exploration des processus de physique au-delà du modèle standard avec, par exemple, la recherche de particules supersymétriques légères. Pour faire face à cet afflux de signaux et à un taux de radiations plus important, les détecteurs du LHC vont, eux aussi, être modifiés. Parmi eux, le détecteur ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) est en cours d’amélioration à plusieurs niveaux : électronique plus rapide sur certains sous-systèmes, remplacement complet de certains sous-détecteurs (dont le nouveau détecteur de traces et de vertex ITk) ou encore ajout de nouvelles parties. Parmi celles-ci figure un nouveau sous-détecteur hautement granulaire permettant une mesure précise en temps du passage de traces dans le détecteur. Ce sous-détecteur appelé HGTD (High-Granularity Timing Detector) sera installé à l’avant du détecteur ATLAS de chaque côté du point de collision pour la phase à haute luminosité du LHC (HL-LHC) en 2029. Ce détecteur viendra compléter le nouveau détecteur ITk, pour permettre de combiner les informations spatiales que celui-ci permettra d’obtenir, avec des informations temporelles, et ainsi de bien associer les traces au point de collision d’où elles auront été émises. Ceci permettra de diminuer les effets d'empilement. En effet, à haute luminosité, il va y avoir beaucoup d'interactions entre partons lors des collisions et il importe de faire la différence entre des événements intéressants à étudier et ceux qui « s'empilent » lors du même croisement ou au croisement suivant. Ce sous-détecteur devra être très résistant aux radiations qui pourront atteindre une fluence d’environ 5.6x10^15 neq cm-2. Le dispositif de détection est composé de capteurs semi-conducteurs LGAD qui présentent une bonne résistance aux radiations et assurent une résolution en temps comprise entre 30 et 50 ps. La thèse, comprenant de nombreux aspects, s’inscrit dans la préparation de ce futur sous-détecteur. Les chapitres 1 et 2 décrivent le détecteur ATLAS, le LHC, la phase à haute luminosité et le futur HGTD. Le chapitre 3 est consacré à la recherche et développement en mécanique pour l’assemblage des modules sur des supports qui seront fixés sur les disques composant HGTD. Il importe que ces modules soient optimisés pour être simples à disposer et à remplacer tout en maximisant la surface active de détection. Le travail a également porté sur la préparation d’un démonstrateur. Le chapitre 4 est dédié aux analyses des données prises lors de tests en faisceaux par les capteurs LGAD. Il s’agit de choisir les spécifications des LGAD et les sociétés qui vont les produire en fonction de leur bonne tenue aux radiations, de leur efficacité de détection et de leur résolution en temps. Le chapitre 5 est dédié aux performances des algorithmes de reconstruction des traces passant par HGTD et ITk. Une nouvelle méthode de réduction du taux de jets d’empilement est présentée. Le chapitre 6 décrit l’implémentation de HGTD dans le cadre des algorithmes de reconstruction de traces dans le détecteur ATLAS.
Résumé / Abstract : The Large Hadron Collider (LHC) is a proton-proton collider located at CERN in Geneva. It served in numerous scientific breakthroughs, including the discovery of the Higgs boson in 2012. In 2013, the LHC upgrade program was announced, aiming to deliver very high luminosity, a factor of 5 higher than the original design. This is known as the High-Luminosity LHC phase (HL-LHC). The aim is to achieve a luminosity of at least 5.10^34 cm-2s-1 and potentially 7.10^34 cm-2s-1. In this scenario, the average number of collisions per beam crossing would be 200 (compared with 50 in 2023, for example). The collider would then deliver an integrated luminosity of 4000 fb-1 in 12 years. The aim of such technical upgrades is of course to increase the measurement potential of the experiments, such as the increase of Higgs boson production or study the electroweak symmetry breaking, but also to explore physics beyond the Standard Model with, for example, supersymmetry. To cope with the increased data rate and higher radiation levels, the LHC detectors will also be upgraded. Among them, the ATLAS detector (A Toroidal LHC ApparatuS) which is undergoing a major upgrade: faster electronics on certain sub-systems, complete replacement of certain sub-detectors (for example, the new tracking detector ITk) or the addition of new ones such as High-Granularity Timing Detector (HGTD). HGTD will be installed in both endcaps of the ATLAS detector for HL-LHC in 2029. It will provide a precise measurement of the tracks’ times complementing the spatial information provided by ITk. This will greatly reduce the tracking ambiguities. Indeed, the high luminosity will bring a lot of simultaneous interactions between partons during proton bunch crossing, and it's important to distinguish between events that are interesting to study and the "pile up” ones. HGTD must be highly resistant to radiation since the estimated fluence will reach around 5.6 x 10^15 neq cm-2. The detector is based on LGAD semiconductor sensors, which are highly resistant to radiation and provide a time resolution of between 30 and 50 ps. The thesis work covers many aspects of HGTD design and operation and is organised as follows. Chapters 1 and 2 describe the ATLAS detector, the LHC, the HL-LHC phase and the future HGTD. Chapter 3 is dedicated to the mechanical R&D for the detector assembly procedure and the design of the support structures for modules. It is important that these supports are optimized for easy installation and replacement while maximizing the active sensitive area. It also covers the work on the HGTD heater demonstrator. Chapter 4 is dedicated to the analysis of data taken during test beams for the LGAD sensors performance studies. The aim is to select the LGAD specifications and the vendors that will produce them, based on their radiation hardness, detection efficiency and time resolution. Chapter 5 focuses on the performance of HGTD track reconstruction capabilities. A new method for improving the purity of efficiency is presented. Chapter 6 describes the integration of HGTD in a novel tracking software ACTS that will be used by the ATLAS experiment during the HL-LHC phase.