Performance characterization of the micromegas detector for the New Small Wheel upgrade of the ATLAS detector at CERN and study of lepton universality with B0->K0*e+e- rare decays with the ATLAS detector

Abstract

This thesis work was carried out within the ATLAS New Small Wheel collaboration at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN, during the experiment's upgrade from 2019 to 2022. The first part focuses on the upgrade of the ATLAS experiment for the Run 3 data-taking period, with the aim of preparing the experiment for the High Luminosity phase during Run 4. The central and most significant upgrade, the New Small Wheel (NSW), is highlighted, particularly the study of the performance of one of the two detector technologies comprising it, the resistive-strip Micromegas detectors. This section describes the Large Hadronic Collider (LHC) and the A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS) detector, as well as the motivations for its upgrade. The NSW and the electronics used by the Micromegas detector array are then described. Also detailed is the operation of the upgraded and pioneering data transfer system to and from the detector, along with the commissioning process followed for both the Micromegas and the NSW, as well as the tools developed and used for the quality control of the data recorded by the detectors. Finally, the main results from the analysis of data collected from tests using cosmic muons are presented, characterizing the performance of the electronics and the detector as a whole, with the aim of assessing the performance and spatial resolution of one of the Micromegas detectors. The second part concerns participation in the newly established ATLAS data analysis group, RK*, which focuses on investigating lepton flavor violation through rare decays of B0->K*0e+e-. The analysis uses Run 2 data from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV recorded by ATLAS, corresponding to an integrated luminosity of 37−1. Initially, it discusses the Standard Model (SM) that describes elementary particles and their interactions, as well as the Lepton Flavor Universality (LFU) it entails. Central to the discussion is the calculation of the branching ratio of the B meson decay into leptons and how a potential violation of this symmetry can be observed. Then, it explains the upgrade to the ATLAS experiment's triggering system to detect low-energy particles and the associated challenges. Finally, the analysis strategy is explained, beginning with the process of generating Monte Carlo simulated samples, both signal and background, and then presenting studies using various methods aimed at comparing the simulated data with the real data and investigating the background.

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο πλαίσιο της συνεργασίας με το πείραμα ATLAS του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN, κατά τη διάρκεια της αναβάθμισης του πειράματος την περίοδο 2019-2022. Στο πρώτο μέρος, εξετάζεται η αναβάθμιση του πειράματος ATLAS για την περίοδο συλλογής δεδομένων Run 3, με σκοπό την προετοιμασία του για τη φάση υψηλής φωτεινότητας (High Luminosity) στο Run 4. Η εστίαση γίνεται στην κύρια αναβάθμισή του, το σύστημα New Small Wheel (NSW), και ειδικότερα στη μελέτη της απόδοσης της τεχνολογίας των ανιχνευτών resistive-strip Micromegas. Παρουσιάζονται ο επιταχυντής LHC και ο ανιχνευτής ATLAS, καθώς και οι λόγοι που κατέστησαν απαραίτητη την αναβάθμισή τους. Ακολούθως, περιγράφονται οι λειτουργίες του NSW και τα ηλεκτρονικά των ανιχνευτών Micromegas, μαζί με το προηγμένο σύστημα μεταφοράς δεδομένων και τη διαδικασία λειτουργηκού ελέγχου και πιστοποίησης (commissioning) που ακολουθήθηκε για τη λειτουργία των ανιχνευτών. Παράλληλα, γίνεται αναφορά στα εργαλεία που αναπτύχθηκαν για τον έλεγχο της ποιότητας των δεδομένων. Τέλος, παρουσιάζονται τα βασικά αποτελέσματα των δοκιμών με κοσμικά μιόνια, που χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση της απόδοσης και της χωρικής διακριτικής ικανότητας των ανιχνευτών Micromegas. Το δεύτερο μέρος της εργασίας αφορά τη συμμετοχή στην ομάδα ανάλυσης δεδομένων του ATLAS για την έρευνα της παραβίασης της λεπτονικής γεύσης μέσω των σπάνιων διασπάσεων B0->K*0e+e-, γνωστή ως ανάλυση RK*. Η ανάλυση βασίζεται στα δεδομένα του Run 2, τα οποία προέρχονται από συγκρούσεις πρωτονίων με ενέργεια κέντρου μάζας 13 TeV και αντιστοιχούν σε συνολική φωτεινότητα 139 fb-1. Αρχικά, παρουσιάζεται το Καθιερωμένο Πρότυπο και η έννοια της Λεπτονικής Συμμετρίας. Ο υπολογισμός του λόγου διάσπασης των B μεσονίων σε λεπτόνια έχει κεντρική σημασία, καθώς καθιστά δυνατή την παρατήρηση πιθανής παραβίασης της συμμετρίας. Ακολούθως, περιγράφεται η αναβάθμιση του συστήματος σκανδαλισμού του ATLAS για την ανίχνευση χαμηλής ενέργειας σωματιδίων, κυρίως ηλεκτρονίων και οι σχετικές προκλήσεις. Τέλος, αναλύεται η στρατηγική της μελέτης, από τη διαδικασία δημιουργίας προσομοιωμένων Monte Carlo δειγμάτων, σήματος και υποβάθρου, εώς και τις μελέτες με διάφορες μεθόδους που πραγματοποιήθηκαν με στόχο την σύγκριση των προσομοιωμένων με τα πραγματικά δεδομένα και την διερεύνηση του υποβάθρου.