Characterisation of the HGCROC3 read-out chip for the future HGCAL, innovative calibration techniques at trigger level and study of the ZZ/ZH->bbττ processes with the CMS detector at the LHC
Caractérisation de la puce électronique de lecture HGCROC3 pour le futur HGCAL, techniques de calibration innovantes pour le système de déclenchement et étude des processus ZZ/ZH->bbττ avec le détecteur CMS au LHC
Résumé
This Thesis presents the study of the production of two Z bosons (ZZ) and a Z boson in association with a Higgs boson (ZH) in the final state with two b quarks and two τ leptons (bbττ), using proton-proton collision data recorded at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The dataset analysed corresponds to an integrated luminosity of 137 fb-1 collected during Run II (2016-2018) by the CMS experiment at the LHC. The non-resonant ZZ/ZH production, as predicted by the Standard Model (SM), is theoretically and experimentally well-established in high-resolution fully leptonic channels. Given the close similarity in the experimental signature, the SM ZZ/ZH processes in the bbττ channel serve as cross-validation for the strategy employed in the search of Higgs boson pair (HH) production in the same final state. The expected upper limits at 95% confidence level are found to be 1.8 and 3.6 times the SM predictions for the ZZ and ZH production cross section, respectively. The resonant ZZ/ZH search is motivated by numerous theories beyond the SM (BSM), predicting the existence of spin-0 or spin-1 high-mass particles possibly decaying into ZZ/ZH. Different mass hypotheses are investigated, ranging from 200 GeV to 4 TeV, and expected upper limits on the resonance cross section are extracted for each mass and spin assumption. The Run III (2022-2025) data-taking is currently underway and presents opportunities to improve the detection performance. The Level-1 (L1) trigger system plays a key role in the event detection, combining data from the CMS sub-detectors to perform a real-time selection of interesting events. This Thesis proposes an innovative Machine Learning (ML) method for the calibration of Layer-1 calorimeter Trigger Primitives, the basic constituents of L1 objects. The ML-based calibration provides enhancements in energy resolution and selection efficiency, offering a scalable solution to a wide range of calibration contexts. After Run III, the LHC will undergo a major upgrade towards the High-Luminosity LHC (HL-LHC), opening new horizons for discoveries and precision physics. In order to maintain its excellent performance, the CMS is planning a series of upgrades of the sub-detectors, including the replacement of the endcap calorimeters with the High-Granularity CALorimeter (HGCAL). This Thesis focuses on the HGCal Read-Out Chip (HGCROC3), the front-end chip designed to read-out the six million channels of the future HGCAL. Along with cutting-edge specifications in terms of noise, charge and time measurement, the HGCROC3 requires high radiation tolerance. Extensive characterisation and irradiation testing with X-rays, heavy ions, and protons demonstrated robust performance while also highlighting design vulnerabilities. These findings guided the development of an improved chip version, ensuring reliable operation at the HL-LHC.
Cette thèse présente l'étude de la production de deux bosons Z (ZZ) et d'un boson Z en association avec un boson de Higgs (ZH) dans l'état final avec deux quarks b et deux leptons τ (bbττ), en utilisant les données de collisions proton-proton enregistrées à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV. Le jeu de données analysé correspond à une luminosité de 137 fb-1 collectée pendant le Run II (2016-2018) par l'expérience CMS au LHC. La production non résonante ZZ/ZH, comme prédite par le Modèle Standard (SM), est déjà théoriquement et expérimentalement bien établie dans les canaux leptoniques à haute résolution. Grâce à la forte similitude dans la signature expérimentale, les processus SM ZZ/ZH dans le canal bbττ servent de validation pour la stratégie d'analyse utilisée dans la recherche de la production de paires de bosons de Higgs (HH) dans le même état final. Les limites supérieures attendues au niveau de confiance de 95% sont de 1.8 et 3.6 fois la prédiction du SM pour la production de ZZ et ZH, respectivement. La recherche résonante ZZ/ZH est motivée par de nombreuses théories au-delà du SM (BSM), prédisant la présence de particules de spin-0 ou spin-1 de haute masse pouvant se désintégrer en ZZ/ZH. Différentes hypothèses de masse sont étudiées, allant de 200 GeV à 4 TeV et des limites supérieures sur la section efficace des résonances sont extraites pour chaque hypothèse de masse et de spin. La prise de données du Run III (2022-2025) est actuellement en cours et présente des opportunités pour améliorer la détection des particules. En effectuant une sélection en temps réel des événements intéressants, le système de déclenchement de Niveau-1 (L1) joue un rôle fondamental dans la détection des événements. Cette thèse propose une méthode innovante de calibration par apprentissage automatique (ML) pour les Primitives de Déclenchement du calorimètre, les constituants de base des objets du Niveau-1. La calibration basée sur le ML produit une amélioration de la résolution en énergie et de l'efficacité de sélection, offrant une approche prometteuse pour différents contextes en calorimétrie. Après le Run III, le LHC subira une mise à niveau majeure vers le LHC à haute luminosité (HL-LHC), ouvrant de nouveaux horizons pour les découvertes et la physique de précision. Afin de maintenir ses performances exceptionnelles, la Collaboration CMS prévoit une série de mises à niveau des sous-détecteurs, incluant un remplacement des calorimètres aux extrémités avec le Calorimètre à Haute Granularité (HGCAL). Cette thèse se concentre sur la puce de lecture du HGCAL (HGCROC3), conçue pour lire les six millions de canaux du futur détecteur. La puce devra satisfaire à des spécifications ambitieuses en termes de bruit et de précision sur la mesure de la charge et du temps, et devra aussi être très tolérante aux radiations. Les tests approfondis sur banc d’essai, ainsi que les campagnes d’irradiation avec des rayons X, des ions lourds et des protons, ont démontré des performances robustes, tout en mettant en évidence des vulnérabilités dans la conception. Ces résultats ont conduit au développement d'une version améliorée de la puce, garantissant un fonctionnement fiable au HL-LHC.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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