Contrôle, mise en service, fonctionnement et performance de la Phase-I de la mise à niveau de l'électronique du calorimètre LAr du détecteur ATLAS

Control, commissioning, operation and performance of the Phase-I upgrade of the LAr calorimeter electronics of the ATLAS detector

• Auteur / Autrice : Florent Bernon
• Direction : Emmanuel Monnier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : INSTRUMENTATION
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CPPM - Centre de Physique des Particules de Marseille
• Jury : Président / Présidente : Cristinel Diaconu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Monnier, Philippe Schwemling, Luis Hervas, Marc-André Pleier, Gaëlle Boudoul
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Schwemling, Marc-André Pleier

Mots clés

Mots clés libres

Lhc

Atlas

Calorimètre à Argon liquide

Déclenchement et acquisition de données

Système de contrôle

Mise à niveau phase-I

Lhc

Atlas

Liquid Argon Calorimeter

Trigger and data acquisition

Control system

Phase-I upgrade

Résumé

La recherche en physique des hautes énergies vise à révéler les constituants fondamentaux de la matière et à élucider les principes régissant leurs interactions. Cette quête repose sur des accélérateurs de particules sophistiqués. Le plus puissant est actuellement le grand Collisionneur de Hadrons (LHC) situé au CERN (l'organisation européenne pour la recherche nucléaire). Le LHC accueille quatre expériences, dont ATLAS, un détecteur de particules polyvalent concu pour sonder les phénomènes rares au sein des données de collision et en particullier rechercher le boson de Higgs. Après 15 ans de fonctionnement et une moisson de résultats scientifiques dont la decouverte du boson de Higgs, le LHC se prépare à deux phases de mise à niveau pour augmenter sa luminosité et son taux de collision. Des mises à niveau correspondantes du détecteur ATLAS sont impératives pour maintenir une acquisition des données et des performances optimales en physique. La première phase de mise à niveau, nommé Phase-I, installée avant le démarrage du ''Run 3'' en 2022, intègre un nouveau chemin de données dans le système de déclenchement du calorimètre à argon liquide. Ce système numérique, détaillé dans cette thèse, remplace l'ancien système basé sur une électronique analogique. Contrôlé et configuré par des systèmes basés sur des serveurs OPC-UA (Open Platform Communications Unified Architecture), l'installation de ce système amélioré a été finalisée en mars 2022. En regardant vers l'avenir, la deuxième phase de mise à niveau, lors de l'arrêt prolongé du LHC en 2026, révisera l'ensemble de la chaîne électronique du calorimètre, permettant de nouvelles capacités de calcul et de traitement du signal. Cette thèse détaille le contrôle, l'exploitation, les essais et l'évaluation des performances de cette nouvelle électronique mise à niveau lors de cette Phase-I pour les calorimètres à argon liquide du détecteur ATLAS. L'arrivée du faisceau pour le début du ''Run 3'' implique une fin d'intégration de manière transparente dans les opérations d'ATLAS. Un point crucial sera l'appréciation et la certification des performances du nouveau système de déclenchement par rapport au déclencheur analogique du calorimètre. Cette thèse décrit le travail effectué pour l'amélioration des performances ainsi que la stabilité des cartes électroniques installées sur le détecteur lors de cette Phase-I.

Research in high-energy physics aims to reveal the fundamental constituents of matter and elucidate the principles governing their interactions. This quest relies on sophisticated particle accelerators. The most powerful and currently the largest is the Large Hadron Collider (LHC) located at CERN (the European Organization for Nuclear Research). The LHC hosts four experiments, including ATLAS, a versatile particle detector designed to probe rare phenomena within collision data such as the search for the Higgs boson. After 15 years of running and a harvest of scientific results including the discovery of the Higgs boson, the LHC is preparing two upgrade phases to increase its luminosity and collision rate. Corresponding upgrades of the ATLAS detector are imperative to maintain optimal data acquisition and performance in physics. The first upgrade phase, known as Phase-I, installed before the start of ''Run 3'' in 2022, incorporates a new data path in the liquid argon calorimeter trigger system. This digital system, detailed in this thesis, replaces the old analog electronic trigger. Controlled and configured by systems based on OPC-UA (Open Platform Communications Unified Architecture) servers, the installation of this upgraded system was completed in March 2022. Looking forward, the second upgrade phase, during the extended shutdown of the LHC in 2026, will revise the entire electronic chain of the calorimeter, promising new computing and signal processing capabilities. This thesis details the control, operation, testing, and performance evaluation of this new upgraded electronics during this Phase-I for the liquid argon calorimeters of the ATLAS detector. The arrival of the beam for the start of ''Run 3'' implies a seamless integration into ATLAS operations. A crucial point will be the assessment and certification of the performance of the new triggering system compared to the analog trigger of the calorimeter. This thesis describes the work done to improve the performance as well as the stability of the electronic boards installed on the detector during this Phase-I.