Study of Vector-Boson Scattering with the ATLAS detector and design of the High Granularity Timing Detector for HL-HLC
Etude des diffusions de bosons vecteurs avec le détecteur ATLAS et conception du High Granularity Timing Detector pour HL-HLC
Résumé
The Standard Model (SM) is a theoretical framework that provides a range of predictions for elementary particle processes, which have been extensively tested experimentally. A significant triumph of the SM is the prediction and subsequent discovery of the Higgs boson by the ATLAS and CMS experiments in 2012. Despite its successes, the SM is known to be incomplete, prompting the exploration of Beyond the Standard Model (BSM) physics. The Effective Field Theory (EFT) approach enables the parametrization of potential subtle deviations from the SM, often observed in the "tails" of distributions. The EFT relevant to this thesis involves describing anomalous Quartic Gauge Couplings (aQGC) through the 18 Eboli operators. I have participated in the first comprehensive statistical combination of ATLAS Vector Boson Scattering (VBS) analysis in order to constrain those operators divided into three families. In particular, I have estimated the significance of cross-terms in simulations, demonstrating that these terms cannot be ignored when both pair members belong to the same family. Unfortunately, many analyses did not initially include cross-terms. To address this, I developed a method to insert these missing cross-terms by leveraging experimental degeneracy between certain operators. This method has been generalized in cases where other operators are missing. The insertion method was validated, typically showing less than 10% non-closure. Another part of this thesis focuses on the migration of the ATLAS forward pileup jet tagger (fJVT) to the updated ATLAS software, which initially resulted in up to 15% performance degradation. Additionally, I calibrated the fJVT using Run-3 data (2022-2023). This calibration quantified the differences in fJVT efficiency between simulations and real data, resulting in a set of scale factors. These scale factors, now available for use by the entire collaboration, need to be applied to Monte Carlo (MC) simulations based on jet transverse momentum and the number of simultaneous proton-proton interactions in the event. I also investigated the effects of systematic uncertainties, including those arising from different generators, the specific forward sub-detector where the jet is detected, variations in pileup profiles depending on the year, and the final state of the calibration. The calibration was conducted for three working points, with the differences between simulation and real data generally being below 5%. Another part of this thesis focuses on the ATLAS Upgrade for the High Luminosity LHC (HL-LHC). The HL-LHC will experience up to 200 simultaneous interactions per event, creating significant challenges for object reconstruction. To address this, the introduction of track timing information is essential. Therefore, a new sub-detector, the High Granularity Timing Detector (HGTD), will be installed to provide precise high-resolution timing information. Achieving this requires front-end electronics with excellent time performance called ALTIROC. I have participated in the characterization of various prototypes. In this context, I analyzed test beam data for ALTIROC1, demonstrating a time resolution of 45 ps. Additionally, I contributed to the development of ALTIROC2 software for laboratory and charged particle tests, conducting multiple evaluations, particularly of the Time of Arrival (TOA) discretization step, the lowest possible threshold, and test beam analysis. Furthermore, I analyzed test beam data for ALTIROC3, discovering that calibration performed in the laboratory could not be directly applied to the test beam environment, leading to performance degradation. I identified a method to overcome this miscalibration only applicable for testbeam, ultimately achieving an average time resolution of 44 ps across many pixels.
Le modèle standard (MS) est un cadre théorique qui fournit une série de prédictions pour les processus des particules élémentaires, qui ont été largement testées expérimentalement. La prédiction et la découverte du boson de Higgs par les expériences ATLAS et CMS en 2012 constituent un succès important du modèle standard. Malgré ses succès, le MS est connu pour être incomplet, ce qui incite à explorer la physique au-delà du modèle standard. L'approche de la théorie quantiques effective des champs (TQCE) permet de paramétrer des déviations potentielles subtiles du MS, souvent observées dans les "queues" des distributions. TQCE pertinente pour cette thèse implique la description des couplages de jauge quartiques anormaux à travers les 18 opérateurs d'Eboli. J'ai participé à la première combinaison statistique complète de l'analyse ATLAS diffusions de bosons vecteurs afin de contraindre ces opérateurs divisés en trois familles. En particulier, j'ai estimé l'importance des termes croisés dans les Monte Carlo (MC), démontrant que ces termes ne peuvent pas être ignorés lorsque les deux membres de la paire appartiennent à la même famille. De nombreuses analyses n'incluaient pas initialement les termes croisés et j'ai mis au point une méthode permettant d'insérer ces termes croisés manquants en tirant parti de la dégénérescence expérimentale entre certains opérateurs. Cette méthode a été généralisée dans les cas où d'autres opérateurs sont manquants. La méthode d'insertion a été validée, montrant typiquement moins de 10% de non-fermeture. J'ai effectué la migration du fJVT (forward pileup jet tagger) vers le logiciel ATLAS mis à jour, ce qui a initialement entraîné une dégradation des performances de l'ordre de 15 %. De plus, j'ai calibré le fJVT en utilisant les données du Run-3 (2022-2023). Cet étalonnage a permis de quantifier les différences d'efficacité du fJVT entre MC et les données réelles, ce qui a donné lieu à un ensemble de facteurs d'échelle. Ces facteurs d'échelle, qui peuvent désormais être utilisés par l'ensemble de la collaboration, doivent être appliqués aux MC en fonction du moment transverse du jet et du nombre d'interactions proton-proton simultanées dans l'événement. J'ai également étudié les effets des incertitudes systématiques : celles provenant des différents générateurs, du sous-détecteur, des variations des profils d'empilement en fonction de l'année, et de l'état final de l'étalonnage. L'étalonnage a été réalisé pour trois points de travail, les différences entre la MC et les données réelles étant généralement inférieures à 5 %. Le LHC à haute luminosité pose des problèmes importants pour la reconstruction des objets. Pour y remédier, il est essentiel d'introduire des informations sur la chronologie de la trajectoire. Un nouveau sous-détecteur, le High Granularity Timing Detector (HGTD), sera donc installé pour fournir des informations précises de synchronisation à haute résolution. Pour ce faire, il faut une électronique frontale dotée d'excellentes performances temporelles, appelée ALTIROC. Dans ce contexte, j'ai analysé les données du faisceau d'essai pour ALTIROC1, démontrant une résolution temporelle de 45 ps. En outre, j'ai contribué au développement du logiciel ALTIROC2 pour les essais en laboratoire et les essais de particules chargées, en effectuant de multiples évaluations, en particulier de l'étape de discrétisation du temps d'arrivée, du seuil le plus bas possible et de l'analyse du faisceau d'essai. En outre, j'ai analysé les données du faisceau d'essai pour ALTIROC3, découvrant que l'étalonnage effectué en laboratoire ne pouvait pas être directement appliqué à l'environnement du faisceau d'essai, ce qui entraînait une dégradation des performances. J'ai identifié une méthode pour surmonter cette erreur d'étalonnage uniquement applicable au faisceau d'essai, ce qui a permis d'obtenir une résolution temporelle moyenne de 44 ps sur de nombreux pixels.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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