Search for a Light Higgs Boson in Central Exclusive Diffraction: Method and Detectors

By detecting leading protons produced in the Central Exclusive Diffractive process, p+p → p+X+p, one can measure the missing mass, and scan for possible new particle states such as the Higgs boson. This process augments - in a model independent way - the standard methods for new particle searches at the Large Hadron Collider (LHC) and will allow detailed analyses of the produced central system, such as the spin-parity properties of the Higgs boson. The exclusive central diffractive process makes possible precision studies of gluons at the LHC and complements the physics scenarios foreseen at the next e+e− linear collider. This thesis first presents the conclusions of the first systematic analysis of the expected precision measurement of the leading proton momentum and the accuracy of the reconstructed missing mass. In this initial analysis, the scattered protons are tracked along the LHC beam line and the uncertainties expected in beam transport and detection of the scattered leading protons are accounted for. The main focus of the thesis is in developing the necessary radiation hard precision detector technology for coping with the extremely demanding experimental environment of the LHC. This will be achieved by using a 3D silicon detector design, which in addition to the radiation hardness of up to 5×10^15 neutrons/cm2, offers properties such as a high signal-to- noise ratio, fast signal response to radiation and sensitivity close to the very edge of the detector. This work reports on the development of a novel semi-3D detector design that simplifies the 3D fabrication process, but conserves the necessary properties of the 3D detector design required in the LHC and in other imaging applications.

Näkemämme maailma koostuu yhdisteistä ja molekyyleistä, joissa atomit ovat sitoutuneet toisiinsa kemiallisilla sidoksilla. Atomit koostuvat ytimestä ja elektroneista - yksinkertaisimmassa atomissa, vedyssä, on sähköiseltä varaukseltaan positiivinen ydin, protoni, ja negatiivinen elektroni sitoutuneet toisiinsa. Atomin ydin koostuu protoneista ja neutraaleista neutroneista. Nykyisen käsityksen mukaan ydinhiukkaset koostuvat ylös- ja alas-tyypin kvarkeista. Kvarkit ja elektroni ovat alkeishiukkasia niillä ei ole havaittavaa alarakennetta. Elektronin ja tavallisten kvarkkien kaltaisia alkeishiukkasia tunnetaan kolmen perusperheen verran. Tavallisen materiaperheen ulkopuoliset muut elektronien kaltaiset hiukkaset ja kvarkit eivät kuitenkaan ole stabiileja, vaan hajoavat hyvin lyhyessä ajassa, ja eivät siten muodosta ympärillä näkemäämme ainetta. Eurooppalaisessa hiukkastutkimuskeskuksessa, CERN:issä, pystytään luomaan ja tutkimaan näitä nopeasti hajoavia alkeishiukkasia suurkiihdyttimen avulla. Tänä vuonna valmistuvalla hadroni-kiihdyttimellä, LHC:llä, törmäytetään protoneja hyvin suurella energialla törmäyksessä vapautuvasta energiasta muodostuu uusia hiukkasia, jotka voivat hajota toisiksi hiukkasiksi. Hajonneet hiukkaset havaitaan erittäin tarkoilla antureilla, jolloin voidaan määrittää niiden energia ja kulkusuunta. Energian ja liikemäärän säilymislain mukaisesti voidaan määrittää uuden hiukkasen massa ja hajoamisnopeus. Tällä hetkellä parhaiten alkeishiukkasia ja niiden välisiä vuorovaikutuksia kuvaava teoria on niin sanottu hiukkasfysiikan standardimalli , joka määrittää alkeishiukkasten massan ja vuorovaikutusvoimakkuuden hyvin tarkasti. Standardimalli ei selitä hiukkasfysiikan perusongelmaa perusaineen painoa. Useat teoriat pyrkivät selittämään massan luomismekanismin. Osa teorioista luottaa niin sanottuun Higgs:in malliin, jossa aineen massa syntyisi vuorovaikutuksista Higgs:in bosonin tai bosonien kanssa, ja osa teorioihin useassa ulottuvuudessa, jolloin aineen massa olisi projektiota ilmiöstä useammassa ulottuvuudessa. LHC-kiihdytin tulee asettamaan nämä teoriat koetukselle. Väitöstyössä tarkastellaan LHC:n kykyä havaita uusia hiukkasia, kuten Higgs:in bosoni, vahvan vuorovaikutusvoiman välittäjähiukkasten, gluonien, törmäyksissä. Nämä, niin sanotut keskeisdiffraktiiviset törmäystapahtumat sallivat myös muiden kuin Higgs:in bosoniin perustuvien teorioiden tutkimisen. Työssä on esitetty analysointimenetelmä keskeisdiffraktiossa syntyneille hiukkasille ja erityisesti kevyelle Higgs:in bosonille. Keskeisdiffraktiossa havaitaan törmäyksessä sironneita protoneja tarkoilla paikkaherkillä antureilla. LHC-kiihdyttimen rankassa säteily-ympäristössä perinteiset anturit eivät toimi halutusti ja uusien innovatiivisten rakenteiden suunnittelu on välttämätöntä. Väitöstyön painopiste on piipuolijohdeteknologiaan perustuvissa niin sanottujen 3D-antureiden suunnittelussa ja valmistuksessa. Työssä osoitetaan, että nämä anturit soveltuvat LHC-kiihdyttimen asettamaan hankalaan toimintaympäristöön. Lisäksi työssä on demonstroitu 3D-antureiden soveltuvuus röntgenkuvaukseen.