Testing the operation and response with cosmics of the Micromegas detector for the NSW upgrade of the ATLAS experiment and study of the Higgs boson production in the WW*->lνlν decay channel through VBF mechanism

Abstract

This thesis is divided into two main parts with the focus on the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider at CERN. The first part is subject of the most important upgrade for the Run-3 data taking period, the New Small Wheel, and the one of its two constituents, the resistive-strip Micromegas detectors. The detector geometry and its implementation in the software being a key component for the reconstruction of both simulated and real data is presented. Subsequently, the tools that were developed, and are currently in use, for the offline data quality assessment are discussed too. After the installation of the two wheels in ATLAS, series of tests using muons in combination with a radioactive source were carried out for New Small Wheel Micromegas detectors with the final electronics integrated on them. The performance, in terms of efficiency and spatial resolution, of one of the Micromegas detectors was studied with the main results concluding this first part. The second part concerns the measurement of fiducial cross sections of the Higgs boson production via the vector-boson-fusion in the H → WW∗ decay channel studying the fully leptonically final states. The analysis uses the full Run-2 proton collision data at a centre-of-mass energy of 13 TeV recorded by the ATLAS detector, corresponding to an integrated luminosity of 139fb−1. Particular detail is given to the data-driven estimation of the background originating from jets that are misidentified as prompt leptons. Studies conducted with the aim to insert systematic uncertainties to the data-driven method are presented. These include the investigation of dependence on the pileup contamination and on properties characterizing the production mode, such as the presence of jets. Finally, a closure test was performed in order to demonstrate the robustness of the data-driven technique.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή χωρίζεται σε δύο κύρια μέρη έχοντας ως επίκεντρο το πείραμα ATLAS του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων του CERN. Το πρώτο μέρος αποτελεί αντικείμενο της πιο σημαντικής αναβάθμισης για την περίοδο λήψης δεδομένων κατά το Run-3, του New Small Wheel, και συγκεκριμένα της μίας εκ των δύο τεχνολογιών ανιχνευτών που το απαρτίζουν, τους resistive-strip Micromegas. Παρουσιάζεται η γεωμετρία του ανιχνευτή καθώς και η αναπαράστασή της στο λογισμικό ως βασικό συστατικό της διαδικασίας της ανακατασκευής τόσο των προσομοιωμένων όσο και των πραγματικών δεδομένων. Στη συνέχεια, περιγράφονται τα εργαλεία που αναπτύχθηκαν, και χρησιμοποιούνται ήδη, για τον ποιοτικό έλεγχο των δεδομένων που καταγράφονται από τους ανιχνευτές, σε μη-πραγματικό χρόνο. Με την τοποθέτηση των ανιχνευτών στον ATLAS πραγματοποιήθηκαν σειρές δοκιμών με Micromegas ανιχνευτές του New Small Wheel χρησιμοποιώντας μιόνια σε συνδυασμό με ραδιενεργή πηγή με τα τελικώς σχεδιασμένα ηλεκτρονικά προσαρτημένα σε αυτούς. Το πρώτο μέρος λοιπόν ολοκληρώνεται με τη παρουσίαση των κυριότερων αποτελεσμάτων της ανάλυσης των δεδομένων που συλλέχθηκαν με σκοπό το χαρακτηρισμό, όσον αφορά την απόδοση και τη χωρική διακριτική ικανότητα, ενός από τους ανιχνευτές Micromegas.Το δεύτερο μέρος αφορά τη μέτρηση ενεργών διατομών της παραγωγής του μποζονίου Higgs μέσω του μηχανισμού vector-boson-fusion στο κανάλι διάσπασης H → W W ∗ μελετώντας πλήρως λεπτονικές τελικές καταστάσεις. Η ανάλυση χρησιμοποιεί τα δεδομένα του Run-2 απο συγκρούσεις πρωτονίων ενέργειας κέντρου μάζας στα 13 TeV που καταγράφηκαν απο τον ATLAS και αντιστοιχούν σε ολοκληρωμένη φωτεινότητα 139 fb−1. Ιδιαίτερη σημασία δίνεται στην εκτίμηση του υποβάθρου που προέρχεται απο πίδακες (jets) οι οποίοι λανθασμένα αναγνωρίζονται ως λεπτόνια και προϊόντα των πρωταρχικών συγκρούσεων. Παρουσιάζονται όλες οι μελέτες που πραγματοποιήθηκαν με στόχο την εισαγωγή συστηματικών αβεβαιοτήτων στη μέθοδο εκτίμησης που βασίζεται στα πραγματικά δεδομένα. Αυτές περιλαμβάνουν την πιθανή διερεύνηση της εξάρτησης της μεθόδου απο διεργασίες που συμβαίνουν την ίδια στιγμή με αυτής της σύγκρουσης, γνωστές ως pileup, αλλά και απο ιδιότητες που χαρακτηρίζουν τον τρόπο παραγωγής του Higgs που μελετάται, όπως η παρουσία jets. Τέλος, πραγματοποιήθηκε ο έλεγχος της μεθόδου χρησιμοποιώντας μόνο προσομοιωμένα δεδομένα για να αποδειχθεί η αμεροληψία της εκτίμησης που βασίζεται στα πραγματικά δεδομένα.