Development of the Pixel Detector for the Belle II experiment and top quark mass measurement in radiative events at the future electron-positron linear collider

Abstract

Durante los últimos cien años, los numerosos descubrimientos en los colisionadores de partículas y desarrollos teóricos han conducido a los físicos de partículas a construir el Modelo Estándar, el modelo teórico más exitoso hasta la fecha. Sin embargo, a pesar de su gran éxito, el Modelo Estándar no describe toda la fenomenología observada actualmente en los diferentes experimentos. Es por ello que se necesitan nuevos colisionadores que proporcionen observaciones de nueva física que nos ayuden a construir modelos que describan dicha fenomenología. Para enfrentarse al reto, la comunidad de física de partículas se une formando grandes colaboraciones, con el propósito de diseñar y construir los colisionadores del futuro. Los trabajos detallados en esta tesis se unen a estos esfuerzos, haciendo una pequeña contribución al progreso del campo. La tesis está dividida en dos partes, con un total de seis capítulos. La primera parte describe el desarrollo y construcción del Detector de Píxeles (PXD), el detector más interno del experimento Belle II en el colisionador SuperKEKB. La segunda parte detalla la propuesta de un nuevo observable para medir la masa del quark top en los futuros colisionadores lineal electrón-positrón. En los primeros dos capítulos se establece el contexto necesario para entender los trabajos realizados como parte de la tesis. El primer capítulo introduce la física de partículas desde el punto de vista fenomenológico, haciendo hincapié en los éxitos y carencias del Modelo Estándar, y sus posibles sucesores. El segundo, establece la importancia de los colisionadores de partículas como la principal herramienta de progreso en el campo, e introduce la nueva generación de colisionadores leptónicos: SuperKEKB, la factoría de mesones de B de la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía de Japón (KEK); el Colisionador Lineal International (ILC), la propuesta internacional para construir un colisionador lineal en Japón; y, el Colisionador Lineal Compacto (CLIC), la propuesta de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) de construcción de un colisionador lineal en la frontera franco-suiza. Los capítulos tercero y cuarto describen el Detector de Píxeles basado en la tecnología de Transistor de Efecto Campo Desertizado (DEPFET) y su proceso de producción respectivamente, incluyendo el control de calidad de ésta llevado a cabo como contribución del Instituto de Física Corpuscular (IFIC) en la construcción del PXD. El capítulo quinto resume la caracterización completa (tanto de su parte digital como de la analógica) de uno de los módulos del PXD, incluyendo estudios en detalle sobre la optimización de la respuesta del sensor y la ganancia interna de los píxeles. Por último, el capítulo sexto propone un nuevo observable para realizar medidas de alta precisión de la masa del quark top en colisionadores leptónicos lineales. Dicho observable es definido como la sección eficaz diferencial del proceso electrón-positrón produciendo un par top-antitop en asociación con un fotón de radiación de estado inicial (ISR), en función de la energía del fotón radiado. Como parte de esta tesis, el potencial del método es estudiado utilizando un robusto marco teórico de última generación para los proyectos ILC y CLIC bajo condiciones realistas.The last hundred years of discoveries at particle colliders and theoretical breakthroughs have allowed particle physicists to elaborate the Standard Model, the most successful theoretical model to date. In spite of its huge success, the Standard Model cannot describe all the observed phenomenology in the different experiments. New colliders are needed to provide the much-needed new physics that will allow us to elaborate models that resolve these unexplained phenomena. To face this challenge, the particle physics community unites forming large collaborations, with the purpose of building the colliders of the future. The works in this thesis join these efforts, making a small contribution to the progress of the field. This thesis is divided in two well defined parts, divided in six Chapters. The first part is dedicated to the development of the Pixel Detector (PXD), the innermost detector of the Belle II experiment in the SuperKEKB collider. The second part is focused on the proposal of a new observable to measure the mass of the top quark in the continuum of the future linear collider. The first two Chapters give the necessary context to understand the works carried out as part of the thesis. In particular, Chapter 1 provides an introduction to the particle physics field from the phenomenologist point of view, peeking at the Standard Model, its accomplishments, its shortcomings, and its most plausible successors. Chapter 2 introduces the new generation of lepton colliders: the SuperKEKB collider, the International Linear Collider (ILC) and the Compact Linear Collider (CLIC). Chapters 3 and 4 describe the DEPFET-based Pixel Detector and its production, respectively, including the quality control of the PXD production carried out at the clean room of the MPG Halbleiterlabor in Munich as the IFIC contribution to the PXD collaboration. Chapter 5 summarizes the characterization of a PXD module, including the measurement of the sensor internal gain. Finally, Chapter 6 introduces a new observable, analyzing the potential of ILC and CLIC to produce precise measurements of the top quark mass in radiative events in the continuum within a theoretically sound renormalization scheme