Development of the detector control system for the muon spectrometer of the ATLAS experiment and the Z boson mass measurement

Abstract

The ATLAS experiment, located at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN, is one of the flagship projects of high-energy physics. Its mission is to investigate fundamental questions about the Universe, such as the origin of mass, the nature of dark matter, and potential new physics beyond the Standard Model. This doctoral dissertation presents the development and integration of the Detector Control System (DCS) for the muon spectrometer subsystems of the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. The DCS is a crucial component for ensuring the safe and efficient operation of the detector infrastructure, enabling real-time monitoring, diagnostics, and control of high- and low-voltage systems, cooling stations, and gas modules. Implemented through the WinCC OA SCADA platform within the JCOP framework, the system was successfully extended to legacy and upgraded components, including the MDT, Micromegas, and sTGC technologies. In parallel, the thesis focuses on the precision measurement of the Z boson mass using reconstructed Z → μ⁺μ⁻ events. A dedicated data analysis pipeline was developed using Histmaker and Monte Carlo simulations, with careful attention to systematic uncertainties such as sagitta bias. Corrective strategies and advanced fitting techniques, including pseudo-mass asymmetry and likelihood fits, were applied to obtain an accurate estimation of the Z boson mass, yielding results compatible with the world average. This study not only validates the robustness of the ATLAS detector systems but also contributes to the ongoing verification of the Standard Model.

Το πείραμα ATLAS, εγκατεστημένο στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN, αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα ερευνητικά έργα της φυσικής υψηλών ενεργειών. Σκοπός του είναι η διερεύνηση θεμελιωδών ερωτημάτων για το Σύμπαν, όπως η προέλευση της μάζας, η φύση της σκοτεινής ύλης και η ύπαρξη νέας φυσικής πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου. Η παρούσα διδακτορική διατριβή αφορά στην ανάπτυξη και ενσωμάτωση του Συστήματος Αυτομάτου Ελέγχου (Detector Control System – DCS) για τα υποσυστήματα του φασματόμετρου μιονίων του πειράματος ATLAS στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN. Το DCS αποτελεί κρίσιμο στοιχείο για την ασφαλή και αξιόπιστη λειτουργία του ανιχνευτή, επιτρέποντας την απομακρυσμένη παρακολούθηση, διάγνωση και διαχείριση παραμέτρων όπως τάσεις, θερμοκρασίες, κατάσταση συστημάτων ψύξης και παροχή αερίων. Υλοποιήθηκε με την πλατφόρμα SCADA WinCC OA και το πλαίσιο JCOP, και εφαρμόστηκε επιτυχώς σε παλαιά και νέα υποσυστήματα (MDT, Micromegas, sTGC). Επιπρόσθετα, η διατριβή είχε ως στόχο την ακριβέστερη μέτρηση της μάζας του μποζονίου Z μέσω ανασύνθεσης γεγονότων διάσπασης Z → μ⁺ μ⁻. Η ανάλυση περιλαμβάνει στατιστική επεξεργασία δεδομένων με χρήση της πλατφόρμας Histmaker και προσομοιώσεων Monte Carlo, με ιδιαίτερη έμφαση στη διόρθωση συστηματικών σφαλμάτων, όπως το sagitta bias. Εφαρμόστηκαν προηγμένες τεχνικές προσαρμογής κατανομών, όπως η μέθοδος ψευδομάζας και οι πιθανότητες μέγιστης αξιοπιστίας, οδηγώντας σε ακριβή εκτίμηση της μάζας, συμβατή με τη διεθνώς αποδεκτή τιμή. Τέλος, η εργασία συμβάλλει στην αξιοπιστία του πειράματος ATLAS και στη θεωρητική ισχύ του Καθιερωμένου Προτύπου.