Study of diboson production and of the Fast Tracker upgrade in the ATLAS experiment at CERN

Abstract

The present doctoral dissertation focuses on three related but distinct topics.The first topic is the study of the production of W±Z and ZZ at proton-proton collisions at a centre-of-mass energy √s = 8 TeV at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. The data were collected by the ATLAS detector in the period 2012 — 2013. The study was performed with events having two, three or four leptons (electrons or muons) because of the relative ease for selecting such events in real time at the ATLAS experiment and recording them for further study. A theoretical study for producing such events was performed in this dissertation, by using Monte Carlo generators. For the W±Z events, the Powheg generator was used, while the corresponding study for the production of ZZ events was performed with PowhegBox and gg2VV; these theoretical results were compared with MCFM which was used in previous analyses. The measurements of the production cross section, both the total and the partial as a function of some of the event characteristics were compared with the theoretical predictions. The results of the measurementsare in agreement with the theoretical predictions, with ZZ being in betteragreement than W±Z. The second topic of this dissertation deals with the inclusion of the Fast TracKer (FTK) in the trigger system (i.e., the real-time event selection system) of the ATLAS detector, which would allow the experiment to select and record interesting events from proton-proton collisions with improved efficiency compared to the current trigger system. FTK is a complex electronicsystem which calculates the five track parameters of the trajectories of the charged particles which are produced at the proton-proton collisions at the centre of the detector. The track parameters will be then sent to the High Level Trigger system of ATLAS where they are expected to play an integral role in improving the efficiency of the trigger system.This dissertation focuses on the development of software for the first FTK subsystem, the FTK Input Mezzanine (FTK_IM), which is responsible for the clustering of pixels with charge deposition from the crossing particle. Specifically, clusters of neighboring pixels are formed and their barycenter is calculated. The centroid of a cluster indicates the point of passage of a particle from the examined detector layer. The developed implementation uses a sliding detection window and forms clusters only inside the window, without taking into account the charge deposited in each pixel. The software implementation was done at bit-level accuracy compared to the equivalent firmware implementation. This way of calculating the centroid is simplified compared to what could have been done in software, but it was chosen in order to achieve the necessary speed for processing the information given to the FTK system by the detector. The effect this simplification has on the particle track parameters was studied in this dissertation. The study was performed with events containing a single muon, as well as with complicated events with top and anti-top quarks (tt̄) produced together with 60 overlapping proton-proton collisions. It was found that the simplified but very rapid implementation for the centroids gives tracks with very little deviation from those calculated with the more accurate centroids, and therefore the simplified centroid calculation is now the default implementation used in FTK.Last, this dissertation deals with the use of parts of FTK in applications outside the field of High Energy Physics. Specifically, the Associative Memory (AM) chip, which was designed for use in FTK, was used as the core part of a system capable of real-time image processing. This system exploits the ability of the AM circuit to perform real-time pattern matching with the aim to recognise the most important parts of an image. The algorithm determining the importance is based on a neurophysiologic model of the human vision system, relying on the intrinsic ability of the eye to perform data reduction on the optical nerve. The potential use of the system as a Magnetic Resonance Imaging filter is also examined. This test demonstrated the ability of the system to enhance salient features of MRI scans increasing the early detection of Alzheimer’s disease on patients with Mild Cognitive Impairment.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται σε τρία συνδεόμενα αλλά διακριτά θέματα. Το πρώτο θέμα είναι η μελέτη της παραγωγής των διμποζονίωνW±Z και ZZ από συγκρούσεις πρωτονίων σε ενέργεια κέντρου μάζας √s = 8 TeV, στον Μεγαλο Επιταχυντή Αδρονίων (Large Hadron Collider, LHC). Τα δεδομένα για τις δύο αυτές μελέτες συλλέχθηκαν από τον ανιχνευτή ATLAS την περίοδο 2012 − 2013. Τα γεγονότα που επιλέχθηκαν περιλαμβάνουν δύο, τρία ή τέσσερα λεπτόνια (ηλεκτρόνια ή μιόνια) λόγω της σχετικής ευκολίας στην επιλογή των γεγονότων αυτών σε πραγματικό χρόνο. Η διατριβή αυτή ασχολείται με τη θεωρητική μελέτη της παραγωγής των γεγονότων αυτών, η προσομοίωση των οποίων πραγματοποιήθηκε με γεννήτορες Monte Carlo. Για τα γεγονότα W±Z χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Powheg, ενώ η αντίστοιχη μελέτη για την παραγωγή των γεγονότων ZZ πραγματοποιήθηκε με τα PowhegBox και gg2VV, τα αποτελέσματα των οποίων συγκρίθηκαν με το MCFM που χρησιμοποιούνταν σε προγενέστερες αναλύσεις. Οι μετρήσεις της ενεργού διατομής, τόσο της ολικής όσο και συναρτήσει κάποιων επιμέρους χαρακτηριστικών των γεγονότων συγκρίνονται με τις προβλέψεις των θεωρητικών μοντέλων. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων βρίσκονται σε συμφωνία με τις θεωρητικές προβλέψεις, με τη συμφωνία για την παραγωγή του ζεύγους ZZ να είναι μεγαλύτερη από τη συμφωνία του ζεύγους W±Z. Το δεύτερο αντικείμενο της διατριβής αφορά την ενσωμάτωση του Fast TracKer (FTK) στο σύστημα σκανδαλισμού (δηλαδή το σύστημα επιλογής γεγονότων σε πραγματικό χρόνο) του ανιχνευτή ATLAS ώστε το πείραμα να μπορεί να επιλέγει προς καταγραφή “ενδιαφέροντα” γεγονότα από συγκρούσεις πρωτονίων με μεγαλύτερη απόδοση συγκριτικά με το τωρινό σύστημα. Το FTK είναι ένα πολύπλοκο ηλεκτρονικό σύστημα το οποίο υπολογίζει τις πέντε βασικές παραμέτρους των τροχιών των φορτισμένων σωματιδίων που παράγονται από τις συγκρούσεις των πρωτονίων στο εσωτερικό του ανιχνευτή. Οι τροχιές που υπολογίζονται θα παρέχονται στο σύστημα σκανδαλισμού υψηλού επιπέδου αυξάνοντας την αποδοτικότητά του σε γεγονότα αυξημένης πολυπλοκότητας.Η διατριβή αυτή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη του λογισμικού για την ακριβή περιγραφή του πρώτου συστήματος του FTK, την πλακέτα εισόδου FTK_IM (FTK Input Mezzanine), η οποία είναι υπεύθυνη για τη συσταδοποίηση των εικονοστοιχείων στα οποία έχει εναποτεθεί φορτίο από το διαπερνών σωματίδιο. Συγκεκριμένα, εντοπίζονται τα γειτονικά εικονοστοιχεία με εναποτεθέν φορτίο τα οποία συγκροτούν συστάδες και υπολογίζεται το κέντρο βάρους της κάθε συστάδας. Το κεντροειδές μιας συστάδας υποδηλώνει το σημείο διέλευσης ενός σωματιδίου από το επίπεδο του ανιχνευτή. Η αναπτυχθείσα υλοποίηση χρησιμοποιεί ένα μετακινούμενο δισδιάστατο παράθυρο ανίχνευσης και πραγματοποιεί τη συσταδοποίηση μόνο στο εσωτερικό του παραθύρου, ενώ δεν παίρνει υπ’ όψιν της το φορτίο που έχει εναποτεθεί σε κάθε εικονοστοιχείο. Η περιγραφή στο λογισμικό έγινε σε επίπεδο ακρίβειας ενός bit σε σχέση με την ανάπτυξη του συστήματος σε υλικό (hardware). Αυτός ο τρόπος υπολογισμού του κεντροειδούς είναι απλοποιημένος σε σχέση με το τι θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί σε λογισμικό, αλλά επιλέχθηκε για να επιτευχθεί η αναγκαία ταχύτητα στην επεξεργασία της πληροφορίας που δίνει ο ανιχνευτής στο σύστημα FTK. Η διατριβή αυτή επίσης μελετάει την επίπτωση που έχει αυτή η απλούστευση στον υπολογισμό των παραμέτρων των τροχιών των σωματιδίων.Η μελέτη πραγματοποιήθηκε σε γεγονότα που περιέχουν από ένα μόνο μιόνιο, καθώς και σε περίπλοκα γεγονότα όπου παράγονται top και anti-top κουάρκ (tt̄) με 60 επικαλυπτόμενες συγκρούσεις πρωτονίων. Βρέθηκε ότι η απλοποιημένη αλλά ταχύτατη υλοποίηση στην εύρεση των κεντροειδών δίνει τροχιές με πολύ μικρές αποκλίσεις από τον πληρέστερο τρόπο υπολογισμού, και έτσι o απλοποιημένος υπολογισμός των κεντροειδών αποτελεί πλέον την προκαθορισμένη επιλογή για τη λειτουργία του FTK.Τέλος, η διατριβή ασχολείται με τη χρήση υποσυστημάτων του FTK σε εφαρμογές εκτός του τομέα φυσικής υψηλών ενεργειών. Συγκεκριμένα, το κύκλωμα Μνήμης Συσχέτισης (Associative Memory), το οποίο σχεδιάστηκε για χρήση στο FTK, χρησιμοποιήθηκε ως ο πυρήνας ενός συστήματος ικανό να πραγματοποιήσει επεξεργασία εικόνας σε πραγματικό χρόνο. Το σύστημα αυτό στηρίχθηκε στην ικανότητα του κυκλώματος Μνήμης Συσχέτισης να πραγματοποιεί αντιστοίχηση μοτίβων σε πραγματικό χρόνο με σκοπό την αναγνώριση των σημαντικότερων τμημάτων μιας εικόνας. Ο αλγόριθμος που επιλέχθηκε για τον ορισμό των σημαντικών μοτίβων βασίζεται σε ένα νευροφυσιολογικό μοντέλο της ανθρώπινης όρασης το οποίο πραγματοποιεί μείωση των δεδομένων κατά το πέρασμά τους από το οπτικό νεύρο. Εν συνεχεία, εξετάζεται η χρήση του συστήματος αυτού ως φίλτρο μαγνητικών τομογραφιών. Ο έλεγχος αυτός έδειξε την ικανότητα του συστήματος να επαυξήσει τα κύρια χαρακτηριστικά των τομογραφιών καθιστώντας ευκολότερη την ταχεία αναγνώριση του Αλτσχάιμερ και άλλων ασθενειών.