Investigations towards the measurement of the Higgs boson self-coupling with HH → b ̄bτ+τ− and development and improvement of the muon spectrometer detector control system, in the ATLAS experiment

Abstract

This thesis is divided into three main parts. The main focus is on the significant upgrade of New Small Wheel at the ATLAS experiment at CERN. The first part provides a comprehensive introduction to the Large Hadron Collider and the ATLAS experiment. The role of the detectors in high-energy physics and the motivation behind the most significant upgrade for Run-3 data taking will be presented, the New Small Wheel (NSW) upgrade and will be outlined. Subsequent chapters will delve deeper into the technical details of the NSW upgrade. Micromegas detectors being one of the two technologies of NSW, offer high-resolution tracking and particle identification capabilities. Within this thesis the testing, integration and commissioning the MicroMegas detectors of the system to the ATLAS experiment at CERN will be presented along with their overview, operation, characterisation and results from recent test beam experiments conducted at CERN will be presented. In the second part the development, improvement, maintenance and testing of the Detector Control System (DCS) and hardware of the legacy Muon Spectrometer and New Small Wheel upgrade will be described. DCS plays a crucial role in ensuring the safe and reliable operation of the detectors within the ATLAS experiment at CERN. The NSW DCS was designed and utilised to commission the NSW detectors inside the ATLAS experimental cavern at CERN but also during the Run-3 data taking. The design and development by the author, of various control systems for the NSW are presented, highlighting its main hardware components like power supply systems, beam interlock, temperature sensors then data acquisition processes, testing, supervisor control and automatic processes. The third part studies the measurement of the Higgs quartic coupling κ2v in Di-Higgs Vector Boson Fusion (VBF) through di-Higgs production in the b ̄bτ+τ− channel. Multiple Higgs boson interactions properties, still to be verified involve Higgs boson self-interactions that are the most sensitive, including processes such as gluon gluon fusion (ggf) and VBF HH production. VBF di-Higgs production is the only probe to the quartic coupling (κ2v) measurement of Higgs boson. The effort on setting constraints on κ2v will be described, then event selection and reconstruction will be illustrated as well as a Neural Network designed to identify VBF events.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελείται από τρία κύρια Μέρη. Το πρώτο κεφάλαιο εισηγήται την λειτουργία του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), το πείραμα ATLAS, τον ρόλο των ανιχνευτών στην φυσική υψηλών ενεργειών, και το κίνητρο πίσω από την αναβάθμιση του New Small Wheel (NSW) στο CERN. Στα επόμενα κεφάλαια αναλύονται πιο εκτεταμένα οι τεχνικές λεπτομέρειες της αναβάθμισης του NSW, ο αντίκτυπός της στην έρευνα της σωματιδιακής φυσικής, και οι καινοτόμες λύσεις που αναπτύχθηκαν από επιστήμονες και μηχανικούς για να αντιμετωπιστούν οι προκλήσεις που προκύπτουν από την εξέλιξη της έρευνας της φυσικής υψηλών ενεργειών. Περιγράφεται η αναβάθμιση του NSW, με κύριο αντικείμενο τον έλεγχο της απόδοσης και την ενσωμάτωση των δύο ανιχνευτικών τεχνολογιών του NSW (Micromegas και sTGC) στο πείραμα ATLAS. Οι ανιχνευτές Micromegas προσφέρουν την δυνατότητα μέτρησης της χωρικής ανάλυσης της τροχιάς με υψηλή ακρίβεια συμπληρώνοντας έτσι το ”puzzle” της ταυτοποίησης των σωματιδίων. Ακολουθεί μια επισκόπηση του ανιχνευτή Micromegas και της λειτουργίας του, με έμφαση στα πρόσφατα πειράματα με δοκιμαστικές δέσμες σωματιδίων στο CERN για τον έλεγχο της απόδοσής τους.Το επόμενο κεφάλαιο πραγματεύεται τα Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου που αναπτύχθηκαν από τον συγγραφέα της διδακτορικής αυτής διατριβής. Τα συστήματα αυτομάτου ελέγχου των ανιχνευτών χρησιμοποιούνται για την διασφάλιση της ασφαλούς, αξιόπιστης και συνεχούς λειτουργίας του ανιχνευτή. Δίνεται έμφαση στην ανάπτυξη και τον σχεδιασμό των συστημάτων του NSW αλλά και στην βελτίωση και συντήρηση του υλικολογισμικού που προϋπήρχε στο Φασματόμετρο Μιονίων του ATLAS. Παρέχεται μια επισκόπηση των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου του NSW, με έμφαση στα συστήματα παροχής τάσης και παρακολούθησης της θερμοκρασίας, το σύστημα του Beam Injection Permit και Αυτομάτου ελέγχου της Υψηλής τάσης, τις διαδικασίες λήψης δεδομένων, τις φάσεις δοκιμών, τα projects που αναπτύχθηκαν στο WinCC-OA και την αρχιτεκτονική των Μηχανών Πεπερασμένων Καταστάσεων (Finite State Machines - FSM) για τον ιεραρχικό έλεγχο και την εποπτεία τους. Στο τελευταίο κεφάλαιο, θα περιγραφούν οι μελέτες για τη μέτρηση του κ2v δηλαδή του συντελεστή αυτοσύζευξης μέσω της διάσπασης H H → b ̄bτ + τ − . Το κανάλι παραγωγής di-Higgs σε b ̄bτ+τ− χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό του κ2v, το οποίο μπορεί να υπολογιστεί μόνο μέσω του μηχανισμού παραγωγής Vector Boson Fusion (VBF). Τροποποιήθηκε κατάλληλα ο κώδικας του Analysis framework ώστε να παραχθούν τα δεδομένα για την συγκεκριμένη ανάλυση, την βελτιστοποίηση της και στη συνέχεια η επεξεργασία των δεδομένων. Η επεξεργασία έγινε για διάφορες τιμές της σταθεράς αυτοσύζευξης κ2v και ακολούθησε εφαρμογή στατιστικών μεθόδων για τον υπολογισμό και την αφαίρεση του υποβάθρου των δεδομένων. Επίσης αναπτύχθηκε και έγινε εκπαίδευση νευρωνικών δικτύων ώστε μετά από τεστ να βρεθεί ο βέλτιστος σχεδιασμός για την συγκεκριμένη ανάλυση. Τέλος έγιναν δοκιμές για να επιβεβαιωθεί ότι η μέθοδος είναι αμερόληπτη και λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα αυτών των δοκιμών, έγινε εφαρμογή της πιο αποτελεσματικής αρχιτεκτονικής Νευρωνικού δικτύου, για διαχωρισμό των γεγονότων από το υπόβαθρο, υπό τις διάφορες μετρήσεις της σταθεράς αυτοσύζευξης.