Research and development of the trigger system for the New Small Wheel upgrade of the ATLAS experiment at CERN and performance evaluation of the sTGC detector: study for the precise determination of the Z-boson mass.

Abstract

This thesis focuses on the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. The first part of the thesis summarizes the work undertaken for the New Small Wheel (NSW) upgrade project, with a particular emphasis on the small-strip Thin Gap Chamber (sTGC) trigger system. An extensive description of the rationale behind the NSW upgrade is provided, along with the results from various tests designed to verify the proper operation of all trigger electronics and ensure accurate data transmission through the entire trigger chain. Additionally, results from the integration of the NSW trigger into the Muon Level-1 trigger during Run 3 are presented. The thesis also discusses the outcomes of tests conducted using muons in combination with a 137Cs radioactive source at the GIF++ facility at CERN. The sTGC detectors participated in this test beam campaign with a large Q1 quadruplet equipped with the final electronics and data acquisition system. Among other studies, the pad efficiency for sTGC pads belonging to a pad tower was calculated. The second part of the thesis is dedicated to the Z mass precision measurement analysis, using data from Run 2 in an attempt to measure the mass of the Z boson with greater accuracy. This task is of special interest despite the fact that the Z mass is precisely known from the Large Electron-Positron Collider (LEP) experiments. Remeasuring it with LHC data can provide an independent measurement, crucial for improved momentum calibration, and further test possible tension or agreement in the Electroweak fit, in particular concerning the prediction of the Higgs mass. The studies conducted include detailed calibration analysis, such as the accurate modeling of the J/ψ invariant mass distribution derived from the measurements of muon pairs as J/ψ decay products. Identifying the best-fitting functions and accurately calculating the background contributions are essential steps towards a more precise Z mass measurement. Additional studies were carried out to estimate systematic errors, including the radial bias, which is a geometrical distortion caused by detector alignment issues.

Αυτή η διατριβή εστιάζει στο πείραμα ATLAS στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN. Το πρώτο μέρος της διατριβής συνοψίζει τις εργασίες που έγιναν για το έργο αναβάθμισης του Νέου Μικρού Δίσκου (New Small Wheel - NSW), με ιδιαίτερη έμφαση στο σύστημα σκανδαλισμού των ανιχνευτών small-strip Thin Gap Chambers (sTGC). Παρέχεται μια εκτενής περιγραφή του σκεπτικού πίσω από την αναβάθμιση της NSW, μαζί με τα αποτελέσματα από διάφορες δοκιμές που έχουν σχεδιαστεί για την επαλήθευση της σωστής λειτουργίας όλων των ηλεκτρονικών σκανδαλισμού και τη διασφάλιση της ακριβούς μετάδοσης δεδομένων σε ολόκληρη την αλυσίδα σκανδαλισμού. Επιπλέον, παρουσιάζονται αποτελέσματα από την ενσωμάτωση του συστήματος σκανδαλισμού NSW στο σύστημα σκανδαλισμού μιονίων Επιπέδου-1 (Level-1) κατά τη διάρκεια του Run 3. Η διατριβή συζητά επίσης τα αποτελέσματα των δοκιμών που διεξήχθησαν χρησιμοποιώντας μιόνια σε συνδυασμό με μια ραδιενεργή πηγή 137Cs στις εγκαταστάσεις GIF++ στο CERN. Οι ανιχνευτές sTGC συμμετείχαν σε αυτή την εκστρατεία δοκιμαστικής δέσμης με ένα μεγάλο τετραπλό Q1 wedge, εξοπλισμένο με το τελικό σύστημα ηλεκτρονικών και συλλογής δεδομένων. Μεταξύ άλλων μελετών, υπολογίστηκε η απόδοση των τεσσάρων sTGC pads που ανήκουν σε ένα συγκεκριμένο μοτίβο σκανδαλισμού και σχηματίζουν ένα trigger tower. Το δεύτερο μέρος της διατριβής είναι αφιερωμένο στην ανάλυση μέτρησης ακριβείας της μάζας Z, χρησιμοποιώντας δεδομένα από το Run 2 σε μια προσπάθεια μέτρησης της μάζας του μποζονίου Ζ με μεγαλύτερη ακρίβεια. Αυτή η εργασία έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρόλο που η μάζα του μποζονίου Ζ είναι επακριβώς γνωστή από τα πειράματα του Μεγάλου Επιταχυντή Ηλεκτρονίων - Ποζιτρονίων (LEP). H εκ νέου μέτρησή του με δεδομένα LHC μπορεί να προσφέρει μια ανεξάρτητη μέτρηση, ζωτικής σημασίας για βελτιωμένη βαθμονόμηση ορμής και περαιτέρω δοκιμή πιθανής τάσης ή συμφωνίας στην προσαρμογή Electroweak, ιδίως όσον αφορά την πρόβλεψη της μάζας Higgs. Οι μελέτες που πραγματοποιήθηκαν περιλαμβάνουν λεπτομερή ανάλυση βαθμονόμησης, όπως την ακριβή μοντελοποίηση της αναλοίωτης κατανομής μάζας J/ψ που προέρχεται από τις μετρήσεις ζευγών μιονίων ως προϊόντα διάσπασης J/ψ. Ο εντοπισμός των συναρτήσεων που περιγράφουν καλύτερα την αναλοίωτη μάζα του J/ψ και ο ακριβής υπολογισμός των συνεισφορών του υποβάθρου, είναι ουσιαστικά βήματα για μια πιο ακριβή μέτρηση της μάζας του μποζονίου Z. Επιπλέον, πρόσθετες μελέτες πραγματοποιήθηκαν για την εκτίμηση των συστηματικών σφαλμάτων, συμπεριλαμβανομένης της ακτινικής προκατάληψης (radial bias), η οποία είναι μια γεωμετρική παραμόρφωση που προκαλείται από προβλήματα ευθυγράμμισης του ανιχνευτή.