An experimental triptych with the ATLAS detector in the LHC and HL-LHC Era: geometry simulations, upgrade performances and the pursuit of Higgs boson pairs

Abstract

The central objective of the thesis is to probe the Higgs boson self-coupling through a search for Higgs boson pair production in the two b-quarks and two photons final state. The analysis presented uses Run 2 (2015–2018) and part of Run 3 (2022–2024) data recorded by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC), collected at centre-of-mass energies of 13 and 13.6 TeV. It is the first analysis to include data up to 2024 and represents the most sensitive single-channel measurement to date. No significant excess over the expected background is observed. Consequently, upper limits are set on the Higgs boson pair production signal strength at 95% confidence level, and corresponding constraints are derived on the self-coupling parameter and on the quartic vector-boson coupling using the vector-boson-fusion production mode. These measurements are enabled by two additional and complementary experimental components. On one side are detector performance studies, focusing on the primary ATLAS Phase-I upgrade, the New Small Wheel (NSW). This detector, responsible for triggering and tracking muon candidates, was installed to mitigate high fake rates from background particles and to withstand the extreme radiation expected in the HL-LHC era. Using Run 3 data, we determine the background rates and assess whether they exceed the design thresholds. On the other side is the detector description in high-energy physics experiments. Specifically, we report the new software architecture for the Muon Spectrometer geometry developed in preparation for the upcoming Run 4. Lastly, these two aspects are combined into a case study linking different detector configuration scenarios with performance. We realise this using the major ATLAS Phase-II upgrade, the Inner Tracker (ITk), testing its limits under variations in detector material and multiple proton–proton interactions per bunch crossing (pileup). Taken together, detector performance studies and geometry simulations both support and are guided by physics analyses, forming an experimental triptych.

Κεντρικός στόχος της διατριβής είναι η διερεύνηση της αυτοσύζευξης του μποζονίου Higgs μέσω της αναζήτησης παραγωγής ζευγών μποζονίων Higgs στην τελική κατάσταση με δύο b-κουάρκ και δύο φωτόνια. Η ανάλυση που παρουσιάζεται χρησιμοποιεί δεδομένα της περιόδου Run 2 (2015–2018) και μέρους της Run 3 (2022–2024), τα οποία καταγράφηκαν από το πείραμα ATLAS στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), σε ενέργειες κέντρου μάζας 13 και 13.6 TeV. Πρόκειται για την πρώτη ανάλυση που περιλαμβάνει δεδομένα έως το 2024 και αποτελεί την πιο ευαίσθητη μέτρηση σε μεμονωμένο κανάλι μέχρι σήμερα. Δεν παρατηρείται στατιστικά σημαντικό πλεόνασμα γεγονότων σε σχέση με το αναμενόμενο υπόβαθρο. Κατά συνέπεια, τίθενται άνω όρια στην ισχύ του σήματος παραγωγής ζευγών Higgs σε επίπεδο εμπιστοσύνης 95%, ενώ εξάγονται αντίστοιχοι περιορισμοί για την παράμετρο της αυτοσύζευξης και για την τετραγωνική σύζευξη διανυσματικών μποζονίων μέσω του τρόπου παραγωγής σύντηξης διανυσματικών μποζονίων. Οι μετρήσεις αυτές καθίστανται δυνατές χάρη σε δύο επιπλέον και συμπληρωματικές πειραματικές συνιστώσες. Από τη μία πλευρά, πραγματοποιούνται μελέτες απόδοσης του ανιχνευτή, με έμφαση στην κύρια αναβάθμιση Φάσης I του ATLAS, το New Small Wheel (NSW). Ο ανιχνευτής αυτός, υπεύθυνος για τον σκανδαλισμό και την ιχνηλάτηση υποψήφιων μιονίων, εγκαταστάθηκε με στόχο τη μείωση των υψηλών ποσοστών ψευδών σημάτων από σωματίδια υποβάθρου και την αντοχή στην έντονη ακτινοβολία που αναμένεται στην εποχή του HL-LHC. Με χρήση δεδομένων Run 3, προσδιορίζονται οι ρυθμοί υποβάθρου και αξιολογείται κατά πόσο υπερβαίνουν τα όρια σχεδιασμού. Από την άλλη πλευρά, εξετάζεται η περιγραφή των ανιχνευτών σε πειράματα φυσικής υψηλών ενεργειών. Συγκεκριμένα, παρουσιάζεται η νέα αρχιτεκτονική λογισμικού για τη γεωμετρία του Muon Spectrometer, η οποία αναπτύχθηκε ενόψει της επερχόμενης περιόδου Run 4. Τέλος, οι δύο αυτές πλευρές συνδυάζονται σε μια μελέτη περίπτωσης που συνδέει διαφορετικά σενάρια διαμόρφωσης του ανιχνευτή με την απόδοσή του. Αυτό υλοποιείται μέσω της μεγάλης αναβάθμισης Φάσης II του ATLAS, του Inner Tracker (ITk), διερευνώντας τα όριά του υπό μεταβολές στο υλικό του ανιχνευτή και στον αριθμό των ταυτόχρονων αλληλεπιδράσεων πρωτονίου–πρωτονίου ανά διασταύρωση δεσμών (pileup). Συνολικά, οι μελέτες απόδοσης και οι προσομοιώσεις γεωμετρίας τόσο υποστηρίζουν όσο και καθοδηγούνται από τις αναλύσεις φυσικής, συγκροτώντας ένα ενιαίο πειραματικό τρίπτυχο.