High-mass Drell-Yan cross-section and search for new phenomena in multi-electron/positron final states with the ATLAS detector

The Standard Model of particle physics is a very successful theory which describes nearly all known processes of particle physics very precisely. Nevertheless, there are several observations which cannot be explained within the existing theory. In this thesis, two analyses with high energy electrons and positrons using data of the ATLAS detector are presented. One, probing the Standard Model of particle physics and another searching for phenomena beyond the Standard Model.rnThe production of an electron-positron pair via the Drell-Yan process leads to a very clean signature in the detector with low background contributions. This allows for a very precise measurement of the cross-section and can be used as a precision test of perturbative quantum chromodynamics (pQCD) where this process has been calculated at next-to-next-to-leading order (NNLO). The invariant mass spectrum mee is sensitive to parton distribution functions (PFDs), in particular to the poorly known distribution of antiquarks at large momentum fraction (Bjoerken x). The measurementrnof the high-mass Drell-Yan cross-section in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 7 TeV is performed on a dataset collected with the ATLAS detector, corresponding to an integrated luminosity of 4.7 fb-1. The differential cross-section of pp -> Z/gamma + X -> e+e- + X is measured as a function of the invariant mass in the range 116 GeV < mee < 1500 GeV. The background is estimated using a data driven method and Monte Carlo simulations. The final cross-section is corrected for detector effects and different levels of final state radiation corrections. A comparison isrnmade to various event generators and to predictions of pQCD calculations at NNLO. A good agreement within the uncertainties between measured cross-sections and Standard Model predictions is observed.rnExamples of observed phenomena which can not be explained by the Standard Model are the amount of dark matter in the universe and neutrino oscillations. To explain these phenomena several extensions of the Standard Model are proposed, some of them leading to new processes with a high multiplicity of electrons and/or positrons in the final state. A model independent search in multi-object final states, with objects defined as electrons and positrons, is performed to search for these phenomenas. Therndataset collected at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 8 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 20.3 fb-1 is used. The events are separated in different categories using the object multiplicity. The data-driven background method, already used for the cross-section measurement was developed further for up to five objects to get an estimation of the number of events including fake contributions. Within the uncertainties the comparison between data and Standard Model predictions shows no significant deviations.

Measurement of the ZZ production cross section and limits to the anomalous triple gauge couplings with forward electrons with the ATLAS detector

Measurements of the self coupling between bosons are important to test the electroweak sector of the Standard Model (SM). The production of pairs of Z bosons through the s-channel is forbidden in the SM. The presence of physics, beyond the SM, could lead to a deviation of the expected production cross section of pairs of Z bosons due to the so called anomalous Triple Gauge Couplings (aTGC). Proton-proton data collisions at the Large Hadron Collider (LHC) recorded by the ATLAS detector at a center of mass energy of 8 TeV were analyzed corresponding to an integrated luminosity of 20.3 fb-1. Pairs of Z bosons decaying into two electron-positron pairs are searched for in the data sample. The effect of the inclusion of detector regions corresponding to high values of the pseudorapidity was studied to enlarge the phase space available for the measurement of the ZZ production. The number of ZZ candidates was determined and the ZZ production cross section was measured to be: rn7.3±1.0(Stat.)±0.4(Sys.)±0.2(lumi.)pb, which is consistent with the SM expectation value of 7.2±0.3pb. Limits on the aTGCs were derived using the observed yield, which are twice as stringent as previous limits obtained by ATLAS at a center of mass energy of 7 TeV.

Search for Dark Matter in events with a highly energetic jet and missing transverse momentum in proton-proton collisions at root out s = 8 TeV with the ATLAS detector

The experiments at the Large Hadron Collider at the European Centre for Particle Physics, CERN, rely on efficient and reliable trigger systems for singling out interesting events. This thesis documents two online timing monitoring tools for the central trigger of the ATLAS experiment as well as the adaption of the central trigger simulation as part of the upgrade for the second LHC run. Moreover, a search for candidates for so-called Dark Matter, for which there is ample cosmological evidence, is presented. This search for generic weakly interacting massive particles (WIMPs) is based on the roughly 20/fb of proton-proton collisions at a centre-of-mass-energy of sqrt{s}=8 TeV recorded with the ATLAS detector in 2012. The considered signature are events with a highly energetic jet and large missing transverse energy. No significant deviation from the theory prediction is observed. Exclusion limits are derived on parameters of different signal models and compared to the results of other experiments. Finally, the results of a simulation study on the potential of the analysis at sqrt{s}=14 TeV are presented.

Luminosity determination for the measurement of the proton-proton total cross section at 8 TeV in the Atlas experiment

La sezione d’urto totale adronica gioca un ruolo fondamentale nel programma di fisica di LHC. Un calcolo di questo parametro, fondamentale nell’ambito della teoria delle interazioni forti, non é possibile a causa dell’inapplicabilità dell’approccio perturbativo. Nonostante ciò, la sezione d’urto può essere stimata, o quanto meno le può essere dato un limite, grazie ad un certo numero di relazioni, come ad esempio il Teorema Ottico. In questo contesto, il detector ALFA (An Absolute Luminosity For ATLAS) sfrutta il Teorema Ottico per determinare la sezione d’urto totale misurando il rate di eventi elastici nella direzione forward. Un tale approccio richiede un metodo accurato di misura della luminosità in condizioni sperimentali difficoltose, caratterizzate da valori di luminosità istantanea inferiore fino a 7 ordini di grandezza rispetto alle normali condizioni di LHC. Lo scopo di questa tesi è la determinazione della luminosità integrata di due run ad alto β*, utilizzando diversi algoritmi di tipo Event-Counting dei detector BCM e LUCID. Particolare attenzione è stata riservata alla sottrazione del fondo e allo studio delle in- certezze sistematiche. I valori di luminosità integrata ottenuti sono L = 498.55 ± 0.31 (stat) ± 16.23 (sys) μb^(-1) and L = 21.93 ± 0.07 (stat) ± 0.79 (sys) μb^(-1), rispettivamente per i due run. Tali saranno forniti alla comunità di fisica che si occupa della misura delle sezioni d’urto protone-protone, elastica e totale. Nel Run II di LHC, la sezione d’urto totale protone-protone sarà stimata con un’energia nel centro di massa di 13 TeV per capire meglio la sua dipendenza dall’energia in un simile regime. Gli strumenti utilizzati e l’esperienza acquisita in questa tesi saranno fondamentali per questo scopo.

Scheda di controllo JTAG per l'elettronica di readout del pixel detector dell'esperimento ATLAS

Il sistema di acquisizione dati del nuovo layer IBL di ATLAS conta attualmente 15 schede ROD attive sull’esperimento. In ognuna di queste schede sono presenti due catene JTAG per la programmazione e il test. La prima catena è facilmente accessibile da remoto tramite uno standard VME o Ethernet, mentre la seconda è accessibile solo tramite un programmatore JTAG. Accedere alla catena secondaria di tutte 15 le ROD è in primo luogo sconveniente poiché sarebbero necessari 15 programmatori diversi; in secondo luogo potrebbe risultare difficoltoso doverli gestire tutti da un unico computer. Nasce così l’esigenza di sviluppare un’elettronica aggiuntiva con funzione di controllo che riesca, tramite un unico programmatore, a distribuire un segnale JTAG in ingresso a 15 uscite selezionabili in maniera esclusiva. In questa tesi vengono illustrati i vari passaggi che hanno portato alla realizzazione del progetto ponendo attenzione alla scelta, al funzionamento e all’eventuale programmazione dei componenti elettronici che lo costituiscono. Per ogni parte è stato realizzato un ambiente hardware di prototipazione che ne ha garantito il test delle funzionalità. La scheda, basata su un microcontrollore ATmega 328-P, è attualmente in fase di completamento nel laboratorio di progettazione elettronica dell’INFN di Bologna. Il prototipo studiato e realizzato tramite il lavoro di questa tesi verrà anche utilizzato in ambiente CERN una volta che ne sarà convalidata l’affidabilità e potrà anche essere facilmente adattato a tutti gli esperimenti che usano un protocollo JTAG per la programmazione di dispositivi remoti.

USB monitor in LabVIEW per il controllo remoto delle schede DAQ del pixel detector di ATLAS

L’esperimento ATLAS al CERN di Ginevra ha un complesso sistema di rivelatori che permettono l’acquisizione e il salvataggio di dati generati dalle collisioni di particelle fondamentali. Il rivelatore per cui trova una naturale applicazione il lavoro di questa tesi è il Pixel Detector. Esso è il più vicino alla beam pipe e si compone di più strati, il più interno dei quali, l’Insertable B-Layer (IBL), aggiunto in seguito allo shut down dell’LHC avvenuto nel 2013, ha apportato diverse innovazioni per migliorare la risoluzione spaziale delle tracce e la velocità di acquisizione dei dati. E’ stato infatti necessario modificare il sistema di acquisizione dati dell’esperimento aggiungendo nuove schede chiamate ROD, ReadOut Driver, e BOC, Back Of Crate. Entrambe le due tipologie di schede sono montate su un apparato di supporto, chiamato Crate, che le gestisce. E’ evidente che avere un sistema remoto che possa mostrare in ogni momento il regime di funzionamento del crate e che dia la possibilità di pilotarlo anche a distanza risulta estremamente utile. Così, tramite il linguaggio di programmazione LabVIEW è stato possibile progettare un sistema multipiattaforma che permette di comunicare con il crate in modo da impostare e ricevere svariati parametri di controllo del sistema di acquisizione dati, come ad esempio la temperatura, la velocità delle ventole di raffreddamento e le correnti assorbite dalle varie tensioni di alimentazione. Al momento il software viene utilizzato all’interno dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) di Bologna dove è montato un crate W-Ie-Ne-R, speculare a quello presente al CERN di Ginevra, contenente delle schede ROD e BOC in fase di test. Il progetto ed il programma sviluppato e presentato in questa tesi ha ulteriori possibilità di miglioramento e di utilizzo, dal momento che anche per altri esperimenti dell’LHC le schede di acquisizione vengono montate sullo stesso modello di crate.

Neutron radiation resistance of photomultipliers for the LUCID detector in the ATLAS experiment at LHC

Durante il Long Shutdown 1 di LHC sono stati cambiati i fotomoltiplicatori del rivelatore di luminosità LUCID di ATLAS. I due modelli candidati per la sostituzione sono stati sottoposti a test di resistenza alla radiazione di gamma e neutroni. In questa tesi si riportano i risultati delle misure di dark current, risposta spettrale, guadagno relativo e assoluto, prima e dopo l’irraggiamento con neutroni. L’unica differenza di rilievo riguarda un aumento della dark current, gli altri parametri non presentano variazioni entro la precisione delle misure. Non ci sono differenze sostanziali tra i due modelli per quanto riguarda la resistenza alle radiazioni.

Controllo della misura della luminosità con il canale Z -> mu+mu- in ATLAS

La misura della sezione d'urto di processi fisici prodotti negli urti fra protoni ad LHC è uno dei settori più importanti della ricerca in corso, sia per verificare le predizioni del Modello Standard, che per la ricerca di nuova fisica. La precisione necessaria per distinguere fenomeni standard e non, richiede un ottimo controllo delle incertezze sistematiche. Fra le sorgenti di errore sistematico, di particolare importanza sono quelle sulla misura della luminosità, che rappresenta il fattore di normalizzazione necessario per la misura di qualsiasi sezione d'urto. Ogni esperimento che si proponga misure di questo genere è quindi dotato di monitor di luminosità dedicati. In questa tesi sono presentate le tecniche di misura della luminosità ad ATLAS utilizzando i rivelatori dedicati e le problematiche incontrate nel corso della presa dati del 2012, sia per quanto riguarda la loro procedura di calibrazione assoluta, che per la loro stabilità in funzione del tempo e linearità di risposta, e vengono fornite le incertezze sistematiche dipendenti dal loro confronto. Per meglio comprendere tali risultati, si è studiato il canale di produzione del bosone Z nelle interazioni protone-protone, all'energia nel centro di massa s = √8 TeV mediante il suo decadimento in due muoni, utilizzando i dati acquisiti nel corso del 2012 Nel primo capitolo vengono definiti i concetti di luminosità istantanea ed integrata, sia dalla prospettiva del collider che le fornisce, che dal punto di vista delle analisi di fisica, quale quella svolta in questa tesi. Nel secondo capitolo viene descritto l'insieme dei rivelatori utilizzati da ATLAS per la misura della luminosità e i risultati ottenuti mediante il loro confronto in termini di incertezze sistematiche. Nel terzo capitolo viene infine presentata la misura della sezione d'urto di produzione del bosone Z e l'utilizzo di tale misura per il controllo della stabilità nel tempo e della linearità della misura sperimentale della luminosità.

Atlas-Based Segmentation of Brain Tumor Images Using a Markov Random Field-Based Tumor Growth Model and Non-Rigid Registration

We propose a new and clinically oriented approach to perform atlas-based segmentation of brain tumor images. A mesh-free method is used to model tumor-induced soft tissue deformations in a healthy brain atlas image with subsequent registration of the modified atlas to a pathologic patient image. The atlas is seeded with a tumor position prior and tumor growth simulating the tumor mass effect is performed with the aim of improving the registration accuracy in case of patients with space-occupying lesions. We perform tests on 2D axial slices of five different patient data sets and show that the approach gives good results for the segmentation of white matter, grey matter, cerebrospinal fluid and the tumor.

Segmentation of brain tumor images based on atlas-registration combined with a Markov-Random-Field lesion growth model

We present an automatic method to segment brain tissues from volumetric MRI brain tumor images. The method is based on non-rigid registration of an average atlas in combination with a biomechanically justified tumor growth model to simulate soft-tissue deformations caused by the tumor mass-effect. The tumor growth model, which is formulated as a mesh-free Markov Random Field energy minimization problem, ensures correspondence between the atlas and the patient image, prior to the registration step. The method is non-parametric, simple and fast compared to other approaches while maintaining similar accuracy. It has been evaluated qualitatively and quantitatively with promising results on eight datasets comprising simulated images and real patient data.