Silicon Strip Detectors for the ATLAS End-Cap Tracker at the HL-LHC

El LHC se ha convertido en el acelerador más potente de todos los tiempos. Su principal objetivo es dar respuesta a las limitaciones del Modelo Estándar y revelar la física más allá de él. El descubrimiento del bosón de Higgs en 2012 supuso el comienzo de una era en el campo de la física de partículas donde conseguir la mayor precisión posible en las medidas es vital. En el LHC se aceleran y colisionan protones con una energía nominal de centro de masas de 14 TeV y una luminosidad instantánea nominal de 10^34 cm−2 s−1. Para la máxima luminosidad, los protones son acelerados en paquetes de 1.15 ×10^11 protones cada uno, con una frecuencia de 40 MHz (esto supone una colisión cada 25 ns). Estas colisiones producen gran cantidad de partículas que son registradas por los experimentos del LHC. Dentro del programa físico desarrollado del LHC la luminosidad irá incrementando y los detectores pasarán por varias fases de mejora para adaptar todo su potencial a cada situación. En el caso del experimento ATLAS, la segunda será la última fase de mejora, durante la cuál se preparará a los detectores para alcanzar la máxima luminosidad de 5x10^34 cm−2 s−1. Su comienzo está programado entre 2022 y 2023 y el detector interno se reemplazará por uno hecho completamente de silicio. En experimentos de aceleradores de partículas de alta energía, los detectores de silicio son muy utilizados debido entre otras cosas a la estructura de bandas energéticas de los materiales semiconductores. Un detector de silicio es básicamente una unión pn (que se consigue dopando el material con impurezas en pequeñas cantidades). La zona de desertización que existe en el sensor es la base para la detección de partículas en este tipo de detectores. Cuando una partícula atraviesa el diodo, ioniza el material y genera pares electrón-hueco, que se dirigen hacia los electrodos del detector. En detectores de reconstrucción de trazas que requieren medidas de la posición con alta precisión se utilizan detectores de silicio de micro-bandas (o microstrips). En estos detectores las bandas (strips) actúan como uniones pn independientes. Los detectores estudiados en este trabajo para la segunda fase de mejoras del detector interno de ATLAS son detectores de microstrip tipo p. La radiación induce defectos en la estructura cristalina del silicio los cuales suponen da˜nos a nivel microscópico. Las consecuencias de estos da˜nos microscópicos se reflejan posteriormente en efectos macroscópicos. Estos efectos pueden tener gran influencia en el comportamiento eléctrico del detector. Afectan principalmente a la corriente de fugas, la eficiencia de recolección de carga y la concentración efectiva de dopantes. El trabajo presentado en esta tesis está enfocado en la caracterización eléctrica de detectores de silicio de tipo microstrip que se utilizarán en la segunda mejora del detector ATLAS y en concreto en los End-Caps del detector interno. En la primera parte de este trabajo, se presenta la estructura del Pétalo que contendrá los sensores de silicio. Las pruebas termo-mecánicas realizadas muestran alta compatibilidad con las simulaciones previas realizadas. Las deformaciones máximas debidas a estrés mecánico fueron de unas 200 μm y 30 μe para deflexiones y elongaciones, respectivamente. Con estos valores se obtuvo el módulo de Young de la fibra de carbono, siendo de 215 GPa. En el caso de deformaciones por estrés térmico se obtuvieron deflexiones de 0.24 μm/ºC y de 4.8 μe/ºC para las elongaciones. La temperaturas medidas en la superficie están entre -14 y -30ºC. Los resultados presentan algunas diferencias respecto a lo previsto por las simulaciones las cuales pueden estar debidas a la gran influencia de las condiciones externas en el sistema experimental y a la necesidad de implementar mejor las propiedades de los distintos materiales en el modelo simulado. La superficie del Pétalo además se encuentra dentro de las especificaciones de planaridad (por debajo de las 100 μm) y el grosor medido (5.4 mm) es cercano al establecido (~5 mm). A su vez se caracterizaron eléctricamente sensores miniatura que sirven de base a los futuros sensores del Pétalo. La caracterización se realizó en términos de corriente de fugas, capacidad y recolección de carga pre y post-irradiación. A partir de los resultados se puso de manifiesto el efecto negativo que produce la radiación sobre las propiedades eléctricas de los sensores. La corriente de fugas aumentó un factor cinco después de irradiar y la capacidad cambió, no siendo posible ver la región de capacidad constante e imposibilitando el cálculo del voltaje de desertización completa mediante este método. En cuanto a la carga recolectada, se observó una disminución con la dosis de radiación. Cuanto mayor es la dosis menor es la carga total recolectada por los sensores. A pesar de ello, los sensores son capaces de mantener las especificaciones requeridas por el experimento en el voltaje de operación esperado (unos 600 V) aún para las mayores dosis de irradiación. Por tanto, estos estudios muestran resultados muy positivos. Como complemento a la caracterización eléctrica de los sensores, se realizaron estudios de integridad de la señal por strip (pre y post-irradiación) mediante un sistema láser diferenciando además entre sensores que poseían strips huérfanos conectados mediante tecnología AC o DC. En general todos los sensores medidos presentaron uniformidad en la amplitud de la señal por canal. En el caso de detectores irradiados, se comprobó de nuevo cómo la exposición a la radiación afecta a las propiedades de los sensores obteniendo una disminución en la amplitud de la señal. En cuanto a la comparativa entre tecnología AC y DC se comprobó la eficacia de ambas siendo preferibles las conexiones AC ya que en las DC existen pequeños acoplos que pueden inducir a confusión en el sistema de reconstrucción de trazas. Con el tiempo, los efectos de la radiación cambian. Mediante el annealing acelerado de los sensores podemos estudiar este fenómeno. Para ello se emplea una cámara climática. En este tipo de detectores se espera ver un incremento en la eficiencia de recolección de carga con el tiempo de annealing. Dos de los sensores analizados presentaron comportamientos extraños. No se observaron incrementos en la carga recolectada sino un descenso. La corriente de fugas y el ruido resultaron además extremadamente elevados imposibilitando el análisis de las medidas por encima de 65 minutos de annealing controlado. El comportamiento de los otros dos sensores medidos fue normal, detectando el incremento de carga (de unos (3-4) ke−) después de 300 minutos de annealing controlado. Estos estudios muestran una mejora, en cuanto al annealing se refiere, frente a los sensores tipo n que actualmente se encuentran funcionando en ATLAS. En la segunda parte de este trabajo de tesis se introduce el proyecto Petalet. El Petalet es un prototipo del Pétalo a pequeña escala que utilizamos para verificar los distintos pasos del proceso de fabricación y elegir el mejor sistema de electrónica de lectura asociada. Los sensores del Petalet fueron fabricados por el CNM de Barcelona (miniaturas y de tamaño real). Se utilizaron para estos estudios detectores no irradiados, algunos de los cuales incluyen adaptadores interstrip construídos en el propio sensor (embedded PA’s). Estos adaptadores permiten solventar el problema de gran ´angulo de bondado que aparece en los sensores del Pétalo. Se hizo la caracterización eléctrica de estos sensores siguiendo el mismo procedimiento que en el caso de los sensores ATLAS12A. Todos los detectores, tanto miniatura como de tamaño real, mostraron buen funcionamiento en términos de corriente de fugas, capacidad y recolección de carga. No se observó ruptura por debajo de los 200 V (voltaje marcado por las especificaciones) y se alcanzó la desertización completa alrededor de los (50-60) V de media, obteniendo valores dentro de lo establecido. La recolección de carga con los sensores completamente desertizados rondó los 21.93 ke−, valor que es compatible con el esperado para este tipo de sensores. Debido a la adición de la segunda capa de metal en los embedded PA’s efectos de acoplo (pick-up and cross-talk) pueden aparecer. Estos efectos se estudiaron mediante técnicas láser análogas a las utilizadas con los sensores ATLAS12A. Únicamente se detectaron acoplos entre la segunda capa de metal y el substrato del sensor (pick-up) pero en un peque˜no porcentaje de strips. El área que ocupan los embedded PA’s es además bastante reducida comparada con el tamaño total del sensor por lo que la influencia de estos efectos en el sistema total es prácticamente despreciable. Los sensores analizados mostraron, en general, buen funcionamiento eléctrico. De todos los sensores de tamaño real, se eligieron los que mejor comportamiento tuvieron (en términos de corriente de fugas y capacidad) para construir el Petalet y verificar los distintos sistemas de electrónica de lectura. Las dos propuestas fueron las llamadas Split y Common readout. La diferencia más destacable entre ellas es el número de híbridos que se utilizan en los dos sensores externos. La configuración Split readout utiliza un único híbrido para los dos sensores. Con este sistema se distribuyen las líneas de alimentación y datos cada una a un lado del Petalet. Utlizar un único híbrido hace más complicado el montaje de los módulos. En la configuración Common readout se utilizan dos híbridos independientes para los sensores externos facilitando así el proceso de montaje. Por el contrario las líneas de alimentación y datos van juntas a un lado del Petalet. Los tests eléctricos incluyen la determinación del ruido de entrada y ganancia del sistema. Diferentes institutos evaluaron las distintas propuestas obteniendo resultados similares (ruido en torno a los 600-700 ENC y distribución plana de ganancia) por lo que ambas configuraciones resultaron factibles. La configuración Split readout permite sinergias directas con la parte Barril del detector, aunque el montaje de los módulos es más sencillo con la solución Common readout. Después de varias discusiones, la colaboración decidió utilizar una solución combinada de las dos configuraciones. De modo que la electrónica de lectura de los Pétalos se basará en la configuración Split readout pero utilizando dos híbridos para los sensores externos, como en la configuración Common readout. Finalmente, los estudios mostrados en esta tesis han formado parte de resultados definitivos presentados por la colaboración ITK de ATLAS que sientan las bases del desarrollo de los detectores que se utilizarán en los futuros Pétalos en el HL-LHC

Search for new phenomena in multi-body invariant masses in events with at least one isolated lepton and two jets using √s = 13 TeV proton–proton collision data collected by the ATLAS detector

A search for resonances in events with at least one isolated lepton (e or μ) and two jets is performed using 139 fb of s = 13 TeV proton–proton collision data recorded by the ATLAS detector at the LHC. Deviations from a smoothly falling background hypothesis are tested in three- and four-body invariant mass distributions constructed from leptons and jets, including jets identified as originating from bottom quarks. Model-independent limits on generic resonances characterised by cascade decays of particles leading to multiple jets and leptons in the final state are presented. The limits are calculated using Gaussian shapes with different widths for the invariant masses. The multi-body invariant masses are also used to set 95% confidence level upper limits on the cross-section times branching ratios for the production and subsequent decay of resonances predicted by several new physics scenarios. [Figure not available: see fulltext.]

Performance of the reconstruction of large impact parameter tracks in the inner detector of ATLAS

Searches for long-lived particles (LLPs) are among the most promising avenues for discovering physics beyond the Standard Model at the Large Hadron Collider (LHC). However, displaced signatures are notoriously difficult to identify due to their ability to evade standard object reconstruction strategies. In particular, the ATLAS track reconstruction applies strict pointing requirements which limit sensitivity to charged particles originating far from the primary interaction point. To recover efficiency for LLPs decaying within the tracking detector volume, the ATLAS Collaboration employs a dedicated large-radius tracking (LRT) passwith loosened pointing requirements. During Run 2 of the LHC, the LRT implementation produced many incorrectly reconstructed tracks and was therefore only deployed in small subsets of events. In preparation for LHC Run 3, ATLAS has significantly improved both standard and large-radius track reconstruction performance, allowing for LRT to run in all events. This development greatly expands the potential phase-space of LLP searches and streamlines LLP analysis workflows. This paper will highlight the above achievement and report on the readiness of the ATLAS detector for track-based LLP searches in Run 3

Search for WZ resonances in the fully leptonic channel using pp collisions at s=8 TeV with the ATLAS detector

A search for resonant WZ production in the ℓνℓ'ℓ' (ℓ,ℓ'=e,μ) decay channel using 20.3 fb-1 of s=8TeV pp collision data collected by the ATLAS experiment at LHC is presented. No significant deviation from the Standard Model prediction is observed and upper limits on the production cross sections of WZ resonances from an extended gauge model W' and from a simplified model of heavy vector triplets are derived. A corresponding observed (expected) lower mass limit of 1.52 (1.49) TeV is derived for the W' at the 95% confidence level.Peer Reviewe

Search for heavy particles decaying into a top-quark pair in the fully hadronic final state in pp collisions at s =13 TeV with the ATLAS detector

A search for new particles decaying into a pair of top quarks is performed using proton-proton collision data recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at a center-of-mass energy of s=13 TeV corresponding to an integrated luminosity of 36.1 fb-1. Events consistent with top-quark pair production and the fully hadronic decay mode of the top quarks are selected by requiring multiple high transverse momentum jets including those containing b-hadrons. Two analysis techniques, exploiting dedicated top-quark pair reconstruction in different kinematic regimes, are used to optimize the search sensitivity to new hypothetical particles over a wide mass range. The invariant mass distribution of the two reconstructed top-quark candidates is examined for resonant production of new particles with various spins and decay widths. No significant deviation from the Standard Model prediction is observed and limits are set on the production cross-section times branching fraction for new hypothetical Z′ bosons, dark-matter mediators, Kaluza-Klein gravitons and Kaluza-Klein gluons. By comparing with the predicted production cross sections, the Z′ boson in the topcolor-assisted-technicolor model is excluded for masses up to 3.1-3.6 TeV, the dark-matter mediators in a simplified framework are excluded in the mass ranges from 0.8 to 0.9 TeV and from 2.0 to 2.2 TeV, and the Kaluza-Klein gluon is excluded for masses up to 3.4 TeV, depending on the decay widths of the particles.Peer Reviewe

Search for pairs of highly collimated photon-jets in pp collisions at s =13 TeV with the ATLAS detector

Results of a search for the pair production of photon-jets - collimated groupings of photons - in the ATLAS detector at the Large Hadron Collider are reported. Highly collimated photon-jets can arise from the decay of new, highly boosted particles that can decay to multiple photons collimated enough to be identified in the electromagnetic calorimeter as a single, photonlike energy cluster. Data from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 36.7 fb-1, were collected in 2015 and 2016. Candidate photon-jet pair production events are selected from those containing two reconstructed photons using a set of identification criteria much less stringent than that typically used for the selection of photons, with additional criteria applied to provide improved sensitivity to photon-jets. Narrow excesses in the reconstructed diphoton mass spectra are searched for. The observed mass spectra are consistent with the Standard Model background expectation. The results are interpreted in the context of a model containing a new, high-mass scalar particle with narrow width, X, that decays into pairs of photon-jets via new, light particles, a. Upper limits are placed on the cross section times the product of branching ratios σ×B(X→aa)×B(a→γγ)2 for 200 GeV<mX<2 TeV and for ranges of ma from a lower mass of 100 MeV up to between 2 and 10 GeV, depending upon mX. Upper limits are also placed on σ×B(X→aa)×B(a→3π0)2 for the same range of mX and for ranges of ma from a lower mass of 500 MeV up to between 2 and 10 GeV.Peer Reviewe

Search for tt¯ resonances in fully hadronic final states in pp collisions at √s = 13 TeV with the ATLAS detector

This paper presents a search for new heavy particles decaying into a pair of top quarks using 139 fb of proton-proton collision data recorded at a centre-of-mass energy of s = 13 TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The search is performed using events consistent with pair production of high-transverse-momentum top quarks and their subsequent decays into the fully hadronic final states. The analysis is optimized for resonances decaying into a tt¯ pair with mass above 1.4 TeV, exploiting a dedicated multivariate technique with jet substructure to identify hadronically decaying top quarks using large-radius jets and evaluating the background expectation from data. No significant deviation from the background prediction is observed. Limits are set on the production cross-section times branching fraction for the new Z′ boson in a topcolor-assisted-technicolor model. The Z′ boson masses below 3.9 and 4.7 TeV are excluded at 95% confidence level for the decay widths of 1% and 3%, respectively. [Figure not available: see fulltext.

Measurement of the t t Z and t t W cross sections in proton-proton collisions at s =13 TeV with the ATLAS detector

A measurement of the associated production of a top-quark pair (tt) with a vector boson (W, Z) in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV is presented, using 36.1 fb-1 of integrated luminosity collected by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. Events are selected in channels with two same- or opposite-sign leptons (electrons or muons), three leptons or four leptons, and each channel is further divided into multiple regions to maximize the sensitivity of the measurement. The ttZ and ttW production cross sections are simultaneously measured using a combined fit to all regions. The best-fit values of the production cross sections are σttZ=0.95±0.08stat±0.10syst pb and σttW=0.87±0.13stat±0.14syst pb in agreement with the Standard Model predictions. The measurement of the ttZ cross section is used to set constraints on effective field theory operators which modify the ttZ vertex.Peer Reviewe

Search for the Production of a Long-Lived Neutral Particle Decaying within the ATLAS Hadronic Calorimeter in Association with a Z Boson from pp Collisions at s =13 TeV

This Letter presents a search for the production of a long-lived neutral particle (Zd) decaying within the ATLAS hadronic calorimeter, in association with a standard model (SM) Z boson produced via an intermediate scalar boson, where Z→+ (=e, μ). The data used were collected by the ATLAS detector during 2015 and 2016 pp collisions with a center-of-mass energy of s=13 TeV at the Large Hadron Collider and correspond to an integrated luminosity of 36.1±0.8 fb-1. No significant excess of events is observed above the expected background. Limits on the production cross section of the scalar boson times its decay branching fraction into the long-lived neutral particle are derived as a function of the mass of the intermediate scalar boson, the mass of the long-lived neutral particle, and its cτ from a few centimeters to one hundred meters. In the case that the intermediate scalar boson is the SM Higgs boson, its decay branching fraction to a long-lived neutral particle with a cτ approximately between 0.1 and 7 m is excluded with a 95% confidence level up to 10% for mZd between 5 and 15 GeV

Search for invisible Higgs boson decays in vector boson fusion at s=13TeV with the ATLAS detector

We report a search for Higgs bosons that are produced via vector boson fusion and subsequently decay into invisible particles. The experimental signature is an energetic jet pair with invariant mass of O(1)TeV and O(100)GeV missing transverse momentum. The analysis uses 36.1 fb of pp collision data at s=13TeV recorded by the ATLAS detector at the LHC. In the signal region the 2252 observed events are consistent with the background estimation. Assuming a 125GeV scalar particle with Standard Model cross sections, the upper limit on the branching fraction of the Higgs boson decay into invisible particles is 0.37 at 95% confidence level where 0.28 was expected. This limit is interpreted in Higgs portal models to set bounds on the WIMP–nucleon scattering cross section. We also consider invisible decays of additional scalar bosons with masses up to 3TeV for which the upper limits on the cross section times branching fraction are in the range of 0.3–1.7pb.Peer Reviewe