Recherche de la supersymétrie avec le détecteur ATLAS et développement du High Granularity Timing Detector

Search for supersymmetry with the ATLAS detector and development of the High Granularity Timing Detector

• Auteur / Autrice : Christina Agapopoulou
• Direction : Nikola Makovec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 25/09/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Hélène Schune
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Contardo, Isabelle Wingerter Seez, Ana Maria Henriques Correia, Steven Lowette, Andreas Hoecker
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Didier Contardo, Isabelle Wingerter Seez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés

Expérience ATLAS

Supersymétrie

Mots clés libres

Détecteur de temps

Supersymétrie

Atlas

Timing detector

Supersymmetry

Atlas

Résumé

Le Modèle Standard de la physique des particules est un cadre théorique couronné d'un extrême succès, décrivant les particules élémentaires et leurs interactions. Avec la découverte du boson de Higgs par les expériences ATLAS et CMS en 2012, le Modèle Standard est désormais complet. Cependant, il demeure toujours des questions ouvertes, appelant un modèle théorique plus large qui englobe le Modèle Standard, tout en fournissant des mécanismes pour les phénomènes inexpliqués. La supersymétrie offre un tel cadre en introduisant une nouvelle symétrie entre bosons et fermions. Elle permet de résoudre le problème de la hiérarchie de la masse du boson de Higgs et offre également un candidat pour expliquer la matière noire de l'univers.La première partie de cette thèse est la recherche de supersymétrie avec le détecteur ATLAS au LHC, en utilisant l'ensemble des données du Run 2, dont la luminosité intégrée s'élève à 139 fb⁻¹. Mon travail se focalise sur la recherche de squarks et de gluinos, les super-partenaires des quarks et des gluons, dans des modèles où la R-parité est conservée et dans les états finaux comprenant des jets et une grande énergie transverse manquante. Ma principale contribution à cette analyse fut le développement et l'optimisation d'une nouvelle technique, nommée ajustement ''Multi-Bin'', pour améliorer la séparation du signal par rapport au bruit et étendre la portée d'exclusion de la recherche. Le gain attendu en la section efficace exclue par l'utilisation d'une configuration d'ajustement Multi-Bin, par opposition à l'approche traditionnelle ''cut& count'', a été estimé à 40-70% dans les modèles étudiés. De plus, j'ai travaillé sur l'inférence statistique de la recherche, allant de l'évaluation des diverses systématiques à l'interprétation des résultats dans différents modèles supersymétriques simplifiés. Aucun excès au-delà des prédictions du Modèle Standard n'a été trouvé, et, par conséquent, les squarks et les gluinos possédant des masses allant respectivement jusqu'à 1.85 TeV et 2.34 TeV ont été exclus. Ce résultat est une amélioration significative par rapport au cycle précédent de l'analyse, et l'une des contraintes les plus fortes sur les masses actuelles des squarks et des gluinos.La phase d'acquisition de données à haute luminosité (HL-LHC) verra le taux des collisions augmenter d'un facteur de 5 à 7. Afin d'atténuer l'augmentation de l'empilement, ATLAS installera un nouveau détecteur au silicium de haute granularité avec une très bonne résolution temporelle qui sera situé dans la région avant, le High Granularity Timing Detector (HGTD). L'objectif de ce détecteur est d'atteindre une résolution en temps meilleure que 50 ps par trace. La seconde partie de cette thèse porte sur deux aspects principaux du développement du HGTD. D'une part, j'ai effectué des études avec la simulation pour évaluer l’occupation et les besoins du système de lecture du détecteur avec diverses géométries. L'occupation du détecteur doit rester inférieure à 10 %, afin de pouvoir correctement attribuer les dépôts d'énergie des traces traversant le détecteur. Il a été constaté que cette limite était satisfaite avec une taille de capteur de 1.3x 1.3 mm², qui est désormais la référence pour le futur détecteur. De plus, l'organisation du système de lecture a été optimisée afin de maximiser l'espace disponible et de minimiser les composants nécessaires. La performance de tout détecteur au silicium est fortement liée à la conception du circuit électronique front-end. Dans le cadre de mon travail à HGTD, j'ai également participé à la caractérisation de deux prototypes électroniques front-end, ALTIROC0 et ALTIROC1, à la fois en laboratoire avec un système d'étalonnage et en tests faisceaux avec des électrons et des protons de haute énergie. La résolution temporelle obtenue était inférieure à 55 ps dans tous les appareils testés, la meilleure performance obtenue étant de 34 ps.

The Standard Model of particle physics is an extremely successful theoretical framework, describing the elementary particles and their interactions.With the discovery of the Higgs boson by the ATLAS and CMS experiments in 2012, the Standard Model is now complete. However, open questions remain unanswered, calling for a larger theoretical model that encapsulates the Standard Model, while providing mechanisms for the unexplained phenomena. Supersymmetry offers such a framework by introducing a new symmetry between bosons and fermions. It provides potential solutions to the hierarchy problem for the Higgs boson mass and also offers a candidate to explain the dark matter of the universe.The first part of this thesis is the search for supersymmetry with the ATLAS detector at LHC, using the full dataset of Run 2, amounting to an integrated luminosity of 139 fb⁻¹. The focus is on the search for squarks and gluinos, the ''super-partners'' of quarks and gluons, in models where R-parity is conserved and in final states with jets and large missing transverse momentum. My main contribution to this analysis was the development and optimization of a novel technique named Multi-Bin fit to enhance the signal to background separation and extend the exclusion reach of the search. The expected gain in the excluded cross section from using a Multi-Bin fit configuration, opposed to the traditional ''cut&count'' approach, was estimated to be 40 - 70 % in the studied models. In addition, I worked on the statistical inference of the search, ranging from the evaluation of various systematics to the interpretation of the results in various simplified supersymmetric models. No excess above the Standard Model prediction was found and therefore squarks and gluinos with masses up to 1.85 TeV and 2.34 TeV were excluded, respectively. This result is a significant improvement over the previous round of the analysis and one of the strongest constraints on squark and gluino masses today.The high-luminosity data acquisition phase (HL-LHC) will see an increase of the collision rate by a factor of 5 to 7. In order to mitigate the increase of pile-up, ATLAS will install a new highly granular silicon detector with a very good time resolution that would be located at the forward region, the High Granularity Timing Detector (HGTD). The goal of this detector is to provide a time resolution better than 50 ps per track. The second part of this thesis focuses on two main aspects in the development of HGTD. On one hand, I performed simulation studies to evaluate the occupancy and read-out requirements of the detector under various geometries. The occupancy of the detector must remain below 10%, in order to correctly assign energy deposits to tracks crossing the detector. It was found that this requirement was met with a sensor size of 1.3 x 1.3 mm², which is now the baseline for the future detector. Additionally, the organization of the on-detector read-out system was optimised, in order to maximise the available space and minimise the necessary components. The performance of any silicon detector is strongly linked to the design of the front-end electronic circuit. As part of my work in HGTD, I also participated in the characterization of two front-end electronic prototypes, ALTIROC0 and ALTIROC1, both in laboratory with a calibration system and in testbeam with highly energetic electrons and protons. The temporal resolution was found to be better than 55 ps in all tested devices, with a best achieved performance of 34 ps.