Radiation studies of the ATLAS beam induced backgrounds and the future upgrades

Abstract

In this thesis, results of dedicated Monte Carlo simulations of beam--induced background (BIB) in the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) are presented and compared with data recorded in 2012 and in dedicated loss map tests performed in 2015. Methods of reconstructing the BIB signals in the ATLAS detector, developed and implemented in the simulation chain, based on the Fluka Monte Carlo simulation package, are described. The simulations reveal information about features that are not experimentally accessible, like correlations between backgrounds and the distributions of proton impacts on the collimators and contributing beam--gas events in the vicinity of the experiment. The level of agreement between simulation results and BIB measurements demonstrates that a good understanding of the origin of BIB has been reached. The results provide vital information about the dependence between background and collimator settings, which is of central importance when optimizing the LHC optics for maximum peak luminosity. The radiation environment in the region of the High-Granularity Timing Detector (HGTD) for the Phase-II ATLAS upgrades has been studied. These studies provided vital input for the radiation hardness qualification of the HGTD electronics and sensors and for the design of the new End-Cap moderator.

Σε αυτή τη διατριβή, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα ειδικών προσομοιώσεων Μόντε Κάρλο για το υπόστρωμα που προκαλείται από τη δέσμη (ΒΙΒ) στο πείραμα ATLAS του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή (LHC) και συγκρίνονται με τα δεδομένα που καταγράφηκαν το 2012 και με δεδομένα από ειδικά τεστ (loss map tests) του 2015. Περιγράφονται μέθοδοι ανακατασκευής των σημάτων BIB στον ανιχνευτή ATLAS που αναπτύχθηκαν και εφαρμόστηκαν στην αλυσίδα προσομοίωσης με βάση το πακέτο προσομοίωσης Fluka. Οι προσομοιώσεις αποκαλύπτουν πληροφορίες που δεν είναι πειραματικά προσβάσιμες, όπως συσχετίσεις μεταξύ του υποβάθρου δέσμης και κατανομών των προσκρούσεων των πρωτονίων στους κατευθυντήρες δέσμης (collimators) καθώς και πληροφορίες για τις περιοχές του επιταχυντή απ’ όπου προέρχονται οι αλληλεπιδράσεις πρωτονίων με το εναπομένον αέριο στον σωλήνα δέσμης. Το επίπεδο συμφωνίας μεταξύ των αποτελεσμάτων προσομοίωσης και των μετρήσεων δείχνει ότι έχει επιτευχθεί καλή κατανόηση της προέλευσης του BIB. Τα αποτελέσματα παρέχουν ζωτικής σημασίας πληροφορίες σχετικά με την εξάρτηση μεταξύ των ρυθμίσεων των collimators και του υποβάθρου δέσμης, η οποία έχει κεντρική σημασία κατά τη βελτιστοποίηση των συστημάτων του LHC, έχοντας στόχο τη μέγιστη φωτεινότητα. Μελετήθηκε το περιβάλλον ακτινοβολίας στην περιοχή του Ανιχνευτή Χρονισμού Υψηλής Ευκρίνειας (HGTD) για τις αναβαθμίσεις φάσης-ΙΙ του ATLAS. Αυτές οι μελέτες συνέβαλαν σημαντικά στον προσδιορισμό της αντοχής στην ακτινοβολία των ηλεκτρονικών και αισθητήρων του HGTD καθώς και στον τελικό σχεδιασμό της νέας θωράκισης (moderator) που προστατεύει το HGTD.