Search for SUSY Electroweak production at LHC Run 2 and study of CMOS sensor for ITk replacement in second-half of HL-LHC - Aix-Marseille Université Access content directly
Theses Year : 2021

Search for SUSY Electroweak production at LHC Run 2 and study of CMOS sensor for ITk replacement in second-half of HL-LHC

Recherche de production SUSY électrofaible au Run 2 du LHC et étude d'un senseur CMOS en vue du remplacement de l'ITK dans la seconde partie du HL-LHC

Ngoc Khanh Vu
  • Function : Author
  • PersonId : 1124954

Abstract

The Standard Model (SM) has been a remarkably successful theory so far. However, it is still far from being a complete description of nature. The discovery of the SM Higgs boson by ATLAS and CMS experiments in 2012 has confirmed the electroweak symmetry breaking mechanism and also highlighted the hierarchy problem due to the unnatural fine-tuning in the Higgs boson mass. Supersymmetry (SUSY), a theoretical extension to the SM, directly resolves the hierarchy problem by postulating the existence of a new supersymmetric partner for each particle in the SM. In addition, SUSY also provides an explanation for many other open questions such as the Dark Matter origin and the unification of fundamental interactions at high energy scale. This thesis concentrates on an analysis targeting SUSY searches for electroweak production of chargino-chargino ($\Conepm\Conemp$) or chargino-neutralino ($\Cone\Ntwo$) pairs in the context of $R$-parity conserving simplified models in which the lightest chargino ($\Cone$) decays into a $W$ boson and the lightest neutralino ($\None$), while the next-to-lightest neutralino ($\Ntwo$) into a $Z$ boson and the lightest neutralino. The analysis focuses on final states characterized by the presence of one isolated lepton (either electron or muon) accompanied by jets and missing transverse momentum. It is performed for the first time at the LHC and targets an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$ corresponding to the full Run 2 $pp$ collision data recorded by the ATLAS detector. This analysis exploits large-R jets to enhance the search sensitivities. Due to the fact that the analysis is not approved at the time of writing, the analysis results presented in this thesis are obtained with observed data still being blind in Signal Regions and with both the experimental and theoretical systematic uncertainties included. A compatibility of the observed and expected event yields can be observed in Control Regions and Validation Regions. The expected exclusion limit at 95\% CL extends up to 680 (720) GeV in the $\Cone /\Ntwo$ mass for the massless $\None$ in the $\Conepm\Conemp$ ($\Cone\Ntwo$) search. In the High Luminosity LHC phase starting from 2027, the current ATLAS Inner Detector will fully be replaced by a new all-silicon detector, the Inner Tracker (ITk). During the entire HL-LHC lifetime, the innermost ITk layers will be exposed to an expected integrated radiation fluence of up to $2 \times 10^{16}$ $\mathrm{n_{eq}/cm^2}$. However, the ITk pixel sensors can only withstand the maximum fluence of roughly $10^{16}$ $\mathrm{n_{eq}/cm^2}$, implying that these innermost layers should be replaced by the half-life of the HL-LHC. For this replacement, if the CMOS sensor technology is ready to withstand a fluence of up to $1.6 \times 10^{16}$ $\mathrm{n_{eq}/cm^2}$ by then, the CMOS sensors could become the most promising candidates to replace the tradition planar and 3D sensors. In this thesis, a new ITk Pixel detector layout with the CMOS sensors of 50 $\mathrm{\mu m}$ thick and $25 \times 25$ $\mathrm{\mu m^2}$ pixel size used in the innermost layers is simulated. The simulation has shown the advantages achieved using the CMOS sensors with a reduction in the cluster Time-over-Threshold (ToT), width and an improved precision in the track transverse parameter reconstruction for a sample of $\pt = 100$ GeV muons. Measuring leakage current is one of the most characterised methods to monitor the silicon radiation damage. While the leakage current at the module granularity level can be measured precisely using the power supply sub-system, it is difficult to achieve the precise measurements for the pixel-level leakage current. In this thesis, the MonLeak (monitoring of the leakage current) mechanism is used to measure the pixel-level leakage current of modules in the IBL, the Pixel layers (B-Layer, Layer 1, Layer 2) and disks. Measurements obtained from the MonLeak scans in 2019 show discrepancies with the power supply measurements recorded by the Detector Control System (DCS), being higher by a factor of about 2 in the Pixel layers and disks, while extremely higher by a factor of around one order of magnitude in the IBL. At the high luminosities of the LHC, there are several inefficiency sources contributing to the loss of hit data during the readout mechanism. The loss rates of these sources have not been simulated yet, but only an ad-hoc fraction of 0.9\% of Monte-Carlo (MC) hits was discarded randomly to account for these inefficiencies in simulation. This assumption was fine for Run 1 but no longer suitable for Run 2. In this thesis, new methods are developed, using real data to estimate more precisely the Double-hit (DH) loss rate due to the loss of a hit arriving at a pixel while this pixel is still busy with the previous hit and the Late copying (LC) loss rate corresponding the loss of hits arriving at Double-Columns buffers later than the trigger latency. The preliminary DH loss rate of 0.96\% for B-Layer is obtained from the new method and can be considered as a lower limit for the loss rate in this layer.
Le Modèle Standard (MS) est une théorie remarquablement efficace jusqu'à présent. Cependant, il ne constitue pas une description complète de la nature. La découverte du boson de Higgs en 2012 par les expériences ATLAS et CMS a confirmé le mécanisme de la brisure de la symétrie électrofaible et a également mis en lumière le problème de hiérarchie dû à un ajustement fin, non naturel, de la masse du boson de Higss. La supésymétrie (SUSY) est une extension théorique du MS qui résout le problème de hiérarchie en postulant d'un partenaire SUSY pour chaque particule du MS. De plus, la SUSY fournit une explication à de nombreuses autres questions ouvertes telles que l'origine de la Matière Noire et l'unification des interactions fondamentales à haute énergie. Cette thèse concerne une analyse visant à rechercher une production SUSY électrofaible d'une paire de charginos ($\tilde\chi^{\pm}_{1}\tilde\chi^{\pm}_{1}$) ou d'une paire chargino-neutralino ($\tilde\chi^{\pm}_{1}\tilde\chi^{0}_{2}$) dans le contexte de Modèles Simplifiés incluant la conservation de la $R$-parité dans lesquels le chargino ($\tilde\chi^{\pm}_{1}$) se désintègre dans le neutralino le plus léger ($\tilde\chi^{0}_{1}$) en émettant un boson $W$ et le neutralino ($\tilde\chi^{0}_{2}$) se désintègre dans le neutralino le plus léger en émettant un boson $Z$. L'analyse sélectionne des événements compatible avec une topologie caractérisée par la présence d'un lepton (électron ou muon) isolé, accompagné de jets et d'impulsion transverse manquante. Elle est effectuée pour la première fois au LHC sur un échantillon de données d'une luminosité intégrée de 139 fb$^{-1}$, ce qui correspond à l'intégralité des collisions $pp$ collectées par le détecteur ATLAS au cours du Run 2. Cette analyse exploite les jets à grand rayon pour augmenter sa sensibilité au signal. Les incertitudes systématiques expérimentales et théoriques sont incluses dans les résultats présentés. Le taux d'événements observés est compatible avec le taux d'événements prédits. L'analyse établit une limite attendue excluant à 95\% niveau de confiance une masse de chargino/neutralino ($\tilde\chi^{\pm}_{1}/\tilde\chi^{0}_{2}$) inférieure à 680 (720) GeV pour un neutralino le plus léger de masse nulle dans la recherche $\Conepm\Conemp$ ($\Cone\Ntwo$). Lors de la phase de Haute Luminosité du LHC (HL-LHC) débutant en 2027, le détecteur interne d'ATLAS va être complètement remplacé par un détecteur entièrement en silicium, le trajectographe interne ITk. Pendant toute la durée du HL-LHC, les couches les plus internes de l'ITk seront exposées à une une radiation d'un flux de $2\times 10^{16}$ $\mathrm{n_{eq}/cm^{2}}$. Toutefois, les senseurs à pixels de l'ITk ne peuvent résister qu'à un flux maximum de $10^{16}$ $\mathrm{n_{eq}/cm^{2}}$, impliquant que les couches les plus internes devraient être remplacée au milieu du HL-LHC. Si la technologie des senseurs CMOS est prête à résister à un flux de $1.6\times 10^{16}$ $\mathrm{n_{eq}/cm^{2}}$ au moment du HL-LHC, alors cette technologie pourrait être la plus prometteuse pour remplacer les traditionnels senseurs planaires en 3D. Dans cette thèse, une nouvelle conception du détecteur à pixels ITk constitué par des senseurs CMOS épais de 50 $\mathrm{\mu m}$ et d'une taille de $25\times 25$ $\mathrm{\mu m^{2}}$ est simulée par les couches les plus internes. Cette simulation montre les avantages que donnerait des senseurs CMOS par une réduction du ToT et de la largeur des agrégats, ainsi qu'une précision acrrue pour le paramètre d'impact transverse des traces reconstruites pour un échantillon de muons de $\pt = 100$ GeV. La mesure du courant de fuite est l'une des principales méthodes pour suivre les domages dûs aux radiations dans le silicium. Ce courant de fuite peut être mesuré avec précision au niveau d'un module, en utilisant l'alimentation. Par contre, au niveau d'un pixel, il est difficile de mesurer précisément le courant de fuite. Dans cette thèse, le mécanisme de MonLeak (suivi du courant de fuite) est utilisé pour mesurer le courant de fuite au niveau des pixels des modules de l'IBL, c'est-à-dire des couches de pixels dites "B-Layer", "Layer 1", "Layer 2" et disques. Les mesures effectuées en 2019 lors d'un échantillonage du MonLeak dans les couches de pixels et dans les disques, étant environ deux fois plus élevées que les mesures des alimentations collectées par le système de contrôle du détecteur (DCS), révèlent un important désaccord. Ce désaccord atteint même un ordre de grandeur dans l'IBL. Aux hautes luminosités du LHC, plusieurs sources d'inéfficacité contribuent à la perte de point d'impact dans la lecture du détecteur à pixels. Les taux de pertes associés à ces sources ne sont pas encore simulés, seuls une fraction ad-hoc de 0.9\% de points d'impact du Monte-Carlo (MC) sont retirés aléatoirement pour en tenir compte dans la simulation. Cette méthode était bien adaptée au Run 1, mais ne fonctionne plus au Run 2. Dans cette thèse, de nouvelles méthodes sont développées en utilisant des données pour estimer plus précisément le taux de perte des doubles points d'impact (DH), due à la perte d'un point d'impact survenant quand le pixel est encore occupé par au point d'impact précédent, ainsi que le taux de perte dues à des copies tardives (LC) de points d'impact survenant plus tard que le temps de latence du déclenchement. Un taux préliminaire de perte DH de 0.96\% est obtenu pour la couche "B-Layer" avec la nouvelle méthode est peut être considéré comme la limite inférieure sur le tuax de perte de cette couche.
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tel-03551191 , version 1 (01-02-2022)

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  • HAL Id : tel-03551191 , version 1

Cite

Ngoc Khanh Vu. Search for SUSY Electroweak production at LHC Run 2 and study of CMOS sensor for ITk replacement in second-half of HL-LHC. Physics [physics]. AMU - Aix Marseille Université, 2021. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03551191⟩
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