Development of innovative instrumentation of new methods for selection and analysis of experimental data towards searching new physics at the High Luminosity Large Hadron Collider

Abstract

The Standard Model of particles stands as one of physics' most triumphant theoretical frameworks, delineating the fundamental particles and their interactions via three fundamental forces: electromagnetism, the weak nuclear force, and the strong nuclear force. Over the past century, numerous experiments have been conducted, impeccably confirming the predictions of the Standard Model. Nevertheless, despite its remarkable success, there remain phenomena unaccounted for within the Standard Model, such as gravity's absence, the enigma of Dark Matter, and the origin of neutrino mass. This incompleteness underscores the need for various theoretical extensions and sophisticated experimental designs to elucidate these unexplained phenomena. The Large Hadron Collider (LHC), situated at CERN on the France-Swiss border near Geneva, stands as the world's largest and most potent particle accelerator. The collisions occurring within it, detected by experiments such as ATLAS, CMS, LHCb, and ALICE, have yielded vast amounts of data, crucial for validating Standard Model predictions. Notably, the discovery of the Higgs boson in 2012, by ATLAS and CMS, marked a significant milestone. Before the Higgs discovery, emphasis was primarily placed on comprehending various Standard Model phenomena. Electroweak symmetry breaking was investigated via the study of W and Z bosons, the carriers of the weak nuclear force. Diboson productions, notably, have played a pivotal role in this pursuit, aiding in the exploration of electroweak symmetry breaking and the quest for New Physics phenomena at higher and higher energy scales. Subsequent to the Higgs discovery, upgrades enhancing collision energy and luminosity have been implemented to probe further into New Physics phenomena. This necessitates advanced detector systems, capable electronics, and the development of data collection and processing algorithms. This thesis comprises two main components. The first part concentrates on the development of a novel timing technique for the PICOSEC Micromegas detector, tailored for precise particle time measurements in picoseconds (see Section 3). Machine learning-based approaches, specifically employing Artificial Neural Networks, are explored for acquiring precise timing measurements, evaluating their performance under different scenarios. In the second part, focus shifts to diboson production, particularly the production of two Z bosons decaying into two leptons and two neutrinos. Despite offering a larger branching fraction compared to other channels, this specific process poses challenges due to the undetectability of the two neutrinos, leading to increased background contamination. Precise estimation of production cross-sections for both inclusive and vector boson scattering (VBS) processes is paramount, as deviations from Standard Model predictions could indicate the presence of New Physics. Furthermore, the accurate measurement of these cross-sections is crucial for other analyses involving dibosons and Higgs processes. (see Sections 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, and 12).Overall, this thesis delves into two experimental fronts, offering insights into advanced detector techniques and their application in probing fundamental part

Το Καθιερωμένο Πρότυπο των σωματιδίων αποτελεί ένα από τα πιο θριαμβευτικά θεωρητικά πλαίσια της φυσικής, περιγράφοντας τα θεμελιώδη σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις τους μέσω τριών θεμελιωδών δυνάμεων: του ηλεκτρομαγνητισμού, της ασθενούς πυρηνικής δύναμης και της ισχυρής πυρηνικής δύναμης. Κατά τον τελευταίο αιώνα, έχουν διεξαχθεί πολυάριθμα πειράματα, τα οποία επιβεβαίωσαν άψογα τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου. Παρ' όλα αυτά, παρά την αξιοσημείωτη επιτυχία του, παραμένουν φαινόμενα που δεν εξηγούνται από το Καθιερωμένο Πρότυπο, όπως η απουσία της βαρύτητας, το μυστήριο της Σκοτεινής Ύλης και οι ταλαντώσεις μάζας των νετρίνων. Αυτή η ατέλεια υπογραμμίζει την ανάγκη για διάφορες θεωρητικές επεκτάσεις και σύνθετους πειραματικούς σχεδιασμούς για την εξήγηση αυτών των φαινομένων.Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC), που βρίσκεται στο CERN, στα σύνορα Γαλλίας-Ελβετίας κοντά στη Γενεύη, αποτελεί τον μεγαλύτερο και πιο ισχυρό επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο. Οι συγκρούσεις που λαμβάνουν χώρα σε αυτόν, ανιχνεύονται από πειράματα όπως το ATLAS, το CMS, το LHCb και το Alice, παράγοντας τεράστιες ποσότητες δεδομένων, που είναι κρίσιμα για την επιβεβαίωση των προβλέψεων του Καθιερωμένου Προτύπου. Η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs το 2012, επιβεβαιωμένη από τα ATLAS και CMS, αποτέλεσε ένα σημαντικό ορόσημο σε αυτή την προσπάθεια. Πριν από την ανακάλυψη του Higgs, η έμφαση δινόταν κυρίως στην κατανόηση διαφόρων φαινομένων του Καθιερωμένου Προτύπου, ιδίως στη θραύση της συμμετρίας της ηλεκτρασθενούς αλληλεπίδρασης, μέσω της μελέτης των μποζονίων W και Z, των φορέων της ασθενούς πυρηνικής δύναμης. Οι παραγωγές διμποζονίων, συγκεκριμένα, διαδραμάτισαν καθοριστικό ρόλο σε αυτή την αναζήτηση, βοηθώντας στην εξερεύνηση της θραύσης της ηλεκτρασθενούς συμμετρίας και στην αναζήτηση νέων φαινομένων Φυσικής σε αυξανόμενες ενεργειακές κλίμακες. Μετά την ανακάλυψη του Higgs, πραγματοποιήθηκαν αναβαθμίσεις που ενίσχυσαν την ενέργεια και τη φωτεινότητα των συγκρούσεων για να ερευνηθούν περαιτέρω φαινόμενα Νέας Φυσικής. Αυτό απαιτεί προηγμένα συστήματα ανιχνευτών, ικανά ηλεκτρονικά συστήματα και την ανάπτυξη αλγορίθμων συλλογής και επεξεργασίας δεδομένων. Αυτή η διατριβή αποτελείται από δύο κύρια μέρη. Το πρώτο μέρος επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μιας νέας τεχνικής χρονισμού για τον ανιχνευτή PICOSEC Micromegas, προσαρμοσμένης για ακριβείς μετρήσεις χρόνου σωματιδίων σε picosecond (βλ. Ενότητα 3). Διερευνώνται προσεγγίσεις που βασίζονται στη μηχανική μάθηση, ειδικότερα η χρήση Τεχνητών Νευρωνικών Δικτύων, για την απόκτηση ακριβών μετρήσεων χρόνου, αξιολογώντας την απόδοσή τους υπό διαφορετικά σενάρια. Στο δεύτερο μέρος, η προσοχή στρέφεται στην παραγωγή διμποζονίων, και ιδιαίτερα στην παραγωγή δύο μποζονίων Z που διασπώνται σε δύο λεπτόνια και δύο νετρίνα. Παρά το γεγονός ότι προσφέρει μεγαλύτερο κλάσμα διακλάδωσης σε σύγκριση με άλλα κανάλια, αυτή η συγκεκριμένη διαδικασία παρουσιάζει προκλήσεις λόγω της μη ανιχνευσιμότητας των δύο νετρίνων, οδηγώντας σε αυξημένη επιμόλυνση του υποβάθρου. Η ακριβής εκτίμηση των ενεργών διατομών παραγωγής για τις διαδικασίες τόσο της συνολικής παραγωγής όσο και της σκέδασης διανυσματικών μποζονίων (VBS) είναι ζωτικής σημασίας, καθώς οι αποκλίσεις από τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου θα μπορούσαν να υποδηλώνουν την ύπαρξη Νέας Φυσικής. Επιπλέον, η ακριβής μέτρηση αυτών των διατομών είναι κρίσιμη για άλλες αναλύσεις που αφορούν διαφορετικές διμποζονικές καταστάσεις και τις διαδικασίες του Higgs (βλ. Ενότητες 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, και 12). Συνολικά, αυτή η διατριβή εμβαθύνει τόσο στο πειραματικό όσο και στο θεωρητικό πεδίο, προσφέροντας προηγμένες τεχνικές ανιχνευτών και την εφαρμογή τους στην εξερεύνηση θεμελιωδών σωματιδίων και αλληλεπιδράσεων, ενώ παράλληλα συνεισφέρει στην αναζήτηση φαινομένων Νέας Φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο.