Measurement of the ZZ production cross section and limits on anomalous neutral triple gauge couplings with ATLAS

The main work of this thesis concerns the measurement of the production cross section using LHC 2011 data collected at a center-of-mass energy equal to 7 TeV by the ATLAS detector and resulting in a total integrated luminosity of 4.6 inverse fb. The ZZ total cross section is finally compared with the NLO prediction calculated with modern Monte Carlo generators. In addition, the three differential distributions (∆φ(l,l), ZpT and M4l) are shown unfolded back to the underlying distributions using a Bayesian iterative algorithm. Finally, the transverse momentum of the leading Z is used to provide limits on anoumalus triple gauge couplings forbidden in the Standard Model.

Measurement of the differential cross section of tt pairs in pp collision at sqrt(s) = 7TeV with the ATLAS detector at the LHC

In this thesis three measurements of top-antitop differential cross section at an energy in the center of mass of 7 TeV will be shown, as a function of the transverse momentum, the mass and the rapidity of the top-antitop system. The analysis has been carried over a data sample of about 5/fb recorded with the ATLAS detector. The events have been selected with a cut based approach in the "one lepton plus jets" channel, where the lepton can be either an electron or a muon. The most relevant backgrounds (multi-jet QCD and W+jets) have been extracted using data driven methods; the others (Z+ jets, diboson and single top) have been simulated with Monte Carlo techniques. The final, background-subtracted, distributions have been corrected, using unfolding methods, for the detector and selection effects. At the end, the results have been compared with the theoretical predictions. The measurements are dominated by the systematic uncertainties and show no relevant deviation from the Standard Model predictions.

Measurement of K(892)*0 resonance production in Pb-Pb collisions with the ALICE experiment at the LHC

The analysis of the K(892)*0 resonance production in Pb–Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV with the ALICE detector at the LHC is presented. The analysis is motivated by the interest in the measurement of short-lived resonances production that can provide insights on the properties of the medium produced in heavy-ion collisions both during its partonic (Quark-Gluon Plasma) and hadronic phase. This particular analysis exploits particle identification of the ALICE Time-Of-Flight detector. The ALICE experiment is presented, with focus on the performance of the Time-Of-Flight system. The aspects of calibration and data quality controls are discussed in detail, while illustrating the excellent and very stable performance of the system in different collision environments at the LHC. A full analysis of the K*0 resonance production is presented: from the resonance reconstruction to the determination of the efficiency and the systematic uncertainty. The results show that the analysis strategy discussed is a valid tool to measure the K∗0 up to intermediate momenta. Preliminary results on K*0 resonance production at the LHC are presented and confirmed to be a powerful tool to study the physics of ultra-relativistic heavy-ion collisions.

Measurement of k(892)*0 resonance production in p-pb collisions with the alice experiment at the lhc

̀ qui presentato lo studio della produzione della risonanza K∗0 in collisioni p-Pb con l’esperimento ALICE presso LHC. L’elaborato si compone di una introduzione sulla natura del fenomeno studiato: la formazione del Quark Gluon Plasma (QGP), uno stato della materia fortemente interagente ad alte temperatura e densità d’energia. Vengono descritte le segnature studiate ai fini di identificare il suddetto fenomeno, riportando come esempio concreto i risultati sperimentali. Successivamente l’acceleratore di particelle, LHC, e l’esperimento, ALICE, vengono brevemente introdotti. Più in dettaglio ven- gono descritti i rivelatori di ALICE effettivamente usati per l’analisi, a cui sono dedicate sezioni approfondite. Viene infine introdotta l’analisi e le sue motivazioni. Il metodo utilizzato e lo studio degli errori da associare alla misura sono illustrati in ogni loro passo e supportati dai risultati ottenuti. La discussione finale dei risultati include il confronto con i risultati preceden- temente ottenuti da ALICE in collisioni pp e Pb-Pb e da altri esperimenti.

Caratterizzazione e calibrazione dei fotomoltiplicatori del sistema di veto di muoni per l'esperimento xenon1t

Alcune osservazioni sperimentali portano ad affermare che la maggior parte della massa dell'universo è costituita da un tipo di materia definita oscura, cioè materia che interagisce solo gravitazionalmente e debolmente. I candidati più promettenti sono tipicamente identificati con le WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). L'esperimento XENON1T per la rivelazione di materia oscura, in fase di costruzione nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, sfrutta uno spessore di 1.4 km di roccia schermante. Il rivelatore è una Time Projection Chamber contenente circa 2 tonnellate di xeno e avrà sensibilità per sezioni d’urto WIMP-nucleo spin-indipendent pari a circa 2x10-47 cm2 (per WIMP di massa 50 GeV/c2), due ordini di grandezza al di sotto degli attuali limiti. Per raggiungere tale sensibilità la TPC sarà inserita in una tank cilindrica riempita di acqua ultrapura, che fungerà sia da schermo passivo contro la radiazione esterna (gamma e neutroni di bassa energia), sia da veto per i muoni cosmici. I muoni possono infatti produrre neutroni di energia tale da raggiungere la TPC e simulare segnali tipici delle WIMP. Essi sono identificati per via della radiazione Cherenkov, emessa in seguito al loro passaggio in acqua, rivelata per mezzo di 84 fotomoltiplicatori (PMT) 8'' Hamamatsu R5912ASSY HQE. Lo studio delle prestazioni e delle caratteristiche dei PMT utilizzati nel sistema di veto di muoni sono lo scopo di questo lavoro di tesi. In particolare è stato preparato un opportuno setup per i test dei fotomoltiplicatori e sono state effettuate misure di guadagno, dark rate ed afterpulse. In una prima fase sono stati testati in aria 50 PMT presso la Sezione INFN di Bologna, nel periodo compreso tra Novembre 2012 e Marzo 2013 ed in una seconda fase sono stati testati in acqua 90 PMT presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, nel periodo compreso tra Aprile e Settembre 2013.

Test di silicon photomultipliers (sipm) accoppiati a scintillatori

In questa tesi si riportano i risultati di uno studio della risoluzione temporale di un fotomoltiplicatore al Silicio (SiPM). La diffusione di questi rivelatori è in notevole aumento sia nelle ricerche di Fisica Nucleare e Subnucleare che nelle applicazioni mediche. I vantaggi sono legati alla loro insensibilità ai campi magnetici e ai facili modi di operazione (piccoli, robusti e con utilizzo a basso voltaggio). Usati sino ad ora per la misura di cariche, sono oggi di grande interesse per possibili applicazioni che richiedano alta risoluzione temporale (sistemi di tempo di volo, trigger, calorimetria). In questo studio sono stati studiati due tipi diversi di accoppiamento Scintillatore-SiPM: diretto o tramite fibre. Per queste analisi sono stati utilizzati diversi metodi di acquisizione e successivamente si sono incrociati i relativi risultati.

Vector meson photoproduction in ultra-peripheral heavy ion collisions with ALICE at the LHC

Ultra-relativistic heavy ions generate strong electromagnetic fields which offer the possibility to study γ-γ and γ-nucleus processes at the LHC in the so called ultra-peripheral collisions (UPC). The photoproduction of J/ψ vector mesons in UPC is sensitive to the gluon distribution of the interacting nuclei. In this thesis the study of coherent and incoherent J/ψ production in Pb-Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV is described. The J/ψ has been measured via its leptonic decay in the rapidity range -0.9 < y < 0.9. The cross section for coherent and incoherent J/ψ are given. The results are compared to theoretical models for J/ψ production and the coherent cross section is found to be in good agreement with those models which include nuclear gluon shadowing consistent with EPS09 parametrization. In addition the cross section for the process γ γ→ e+e− has been measured and found to be in agreement with the STARLIGHT Monte Carlo predictions. The analysis has been published by the ALICE Collaboration in the European Physical Journal C, with one of its main plot depicted on the cover-front of the November 2013 issue.

Measurements of ttbar Differential Cross Section at the ATLAS Experiment in pp Collisions at sqrt(s)=7TeV and sqrt(s)=8TeV

This PhD thesis presents two measurements of differential production cross section of top and anti-top pairs tt ̅ decaying in a lepton+jets final state. The normalize cross section is measured as a function of the top transverse momentum and the tt ̅ mass, transverse momentum and rapidity using the full 2011 proton-proton (pp) ATLAS data taking at a center of mass energy of √s=7 TeV and corresponding to an integrated luminosity of L=4.6 〖fb〗^(-1). The cross section is also measured at the particle level as a function of the hadronic top transverse momentum for highly energetic events using the full 2012 data taking at √s=8 TeV and with L=20 〖fb〗^(-1). The measured spectra are fully corrected for detector efficiency and resolution effects and are compared to several theoretical predictions showing a quite good agreement, depending on different spectra.

Search for time-integrated cp violation in $d^0 \rightarrow k^+k^-$ and $d^0 \rightarrow \pi^+\pi^-$ decays at lhcb.

The LHCb experiment at the LHC, by exploiting the high production cross section for $c\overline{c}$ quark pairs, offers the possibility to investigate $\mathcal{CP}$ violation in the charm sector with a very high precision.\\ In this thesis a measurement of time-integrated \(\mathcal{CP}\) violation using $D^0\rightarrow~K^+K^-$ and $D^0\rightarrow \pi^+\pi^-$ decays at LHCb is presented. The measured quantity is the difference ($\Delta$) of \(\mathcal{CP}\) asymmetry ($\mathcal{A}_{\mathcal{CP}}$) between the decay rates of $D^0$ and $\overline{D}^0$ mesons into $K^+K^–$ and $\pi^+\pi^-$ pairs.\\ The analysis is performed on 2011 data, collected at \(\sqrt{s}=7\) TeV and corresponding to an integrated luminosity of 1 fb\(^{-1}\), and 2012 data, collected at \(\sqrt{s}=8\) TeV and corresponding to an integrated luminosity of 2 fb\(^{-1}\).\\ A complete study of systematic uncertainties is beyond the aim of this thesis. However the most important systematic of the previous analysis has been studied. We find that this systematic uncertainty was due to a statistical fluctuation and then we demonstrate that it is no longer necessary to take into account.\\ By combining the 2011 and 2012 results, the final statistical precision is 0.08\%. When this analysis will be completed and published, this will be the most precise single measurement in the search for $\mathcal{CP}$ violation in the charm sector.

The new Beam Halo Monitor for the CMS experiment at the LHC

In the context of increasing beam energy and luminosity of the LHC accelerator at CERN, it will be important to accurately measure the Machine Induced Background. A new monitoring system will be installed in the CMS cavern for measuring the beam background at high radius. This detector, called the Beam Halo Monitor, will provide an online, bunch-by-bunch measurement of background induced by beam halo interactions, separately for each beam. The detector is composed of synthetic quartz Cherenkov radiators, coupled to fast UV sensitive photomultiplier tubes. The directional and fast response of the system allows the discrimination of the background particles from the dominant flux in the cavern induced by pp collision debris, produced within the 25 ns bunch spacing. The readout electronics of this detector will make use of many components developed for the upgrade of the CMS Hadron Calorimeter electronics, with a dedicated firmware and readout adapted to the beam monitoring requirements. The PMT signal will be digitized by a charge integrating ASIC, providing both the signal rise time and the charge integrated over one bunch crossing. The backend electronics will record bunch-by-bunch histograms, which will be published to CMS and the LHC using the newly designed CMS beam instrumentation specific DAQ. A calibration and monitoring system has been designed to generate triggered pulses of UV light to monitor the efficiency of the system. The experimental results validating the design of the detector, the calibration system and the electronics will be presented.

Measurement of the $B^0$ - $\bar{B}^0$ and $B^0_s$ - $\bar{B}^0_s$ production asymmetries in pp collisions at $\sqrt{s}=7$ TeV and $\sqrt{s}=8$ TeV with the LHCb experiment

The production rate of $b$ and $\bar{b}$ hadrons in $pp$ collisions are not expected to be strictly identical, due to imbalance between quarks and anti-quarks in the initial state. This phenomenon can be naively related to the fact that the $\bar{b}$ quark produced in the hard scattering might combine with a $u$ or $d$ valence quark from the colliding protons, whereas the same cannot happen for a $b$ quark. This thesis presents the analysis performed to determine the production asymmetries of $B^0$ and $B^0_s$. The analysis relies on data samples collected by the LHCb detector at the Large Hadron Collider (LHC) during the 2011 and 2012 data takings at two different values of the centre of mass energy $\sqrt{s}=7$ TeV and at $\sqrt{s}=8$ TeV, corresponding respectively to an integrated luminosity of 1 fb$^{-1}$ and of 2 fb$^{-1}$. The production asymmetry is one of the key ingredients to perform measurements of $CP$ violation in b-hadron decays at the LHC, since $CP$ asymmetries must be disentangled from other sources. The measurements of the production asymmetries are performed in bins of $p_\mathrm{T}$ and $\eta$ of the $B$-meson. The values of the production asymmetries, integrated in the ranges $4 < p_\mathrm{T} < 30$ GeV/c and $2.5<\eta<4.5$, are determined to be: \begin{equation} A_\mathrm{P}(\B^0)= (-1.00\pm0.48\pm0.29)\%,\nonumber \end{equation} \begin{equation} A_\mathrm{P}(\B^0_s)= (\phantom{-}1.09\pm2.61\pm0.61)\%,\nonumber \end{equation} where the first uncertainty is statistical and the second is systematic. The measurement of $A_\mathrm{P}(B^0)$ is performed using the full statistics collected by LHCb so far, corresponding to an integrated luminosity of 3 fb$^{-1}$, while the measurement of $A_\mathrm{P}(B^0_s)$ is realized with the first 1 fb$^{-1}$, leaving room for improvement. No clear evidence of dependences on the values of $p_\mathrm{T}$ and $\eta$ is observed. The results presented in this thesis are the most precise measurements available up to date.

Measurement of CP asymmetries in $\lambda^0_b \to pk^-$ and $\lambda^0_b \to p \pi^-$ decays at LHCb

The LHCb experiment has been designed to perform precision measurements in the flavour physics sector at the Large Hadron Collider (LHC) located at CERN. After the recent observation of CP violation in the decay of the Bs0 meson to a charged pion-kaon pair at LHCb, it is interesting to see whether the same quark-level transition in Λ0b baryon decays gives rise to large CP-violating effects. Such decay processes involve both tree and penguin Feynman diagrams and could be sensitive probes for physics beyond the Standard Model. The measurement of the CP-violating observable defined as ∆ACP = ACP(Λ0b → pK−)−ACP(Λ0b →pπ−),where ACP(Λ0b →pK−) and ACP(Λ0b →pπ−) are the direct CP asymmetries in Λ0b → pK− and Λ0b → pπ− decays, is presented for the first time using LHCb data. The procedure followed to optimize the event selection, to calibrate particle identification, to parametrise the various components of the invariant mass spectra, and to compute corrections due to the production asymmetry of the initial state and the detection asymmetries of the final states, is discussed in detail. Using the full 2011 and 2012 data sets of pp collisions collected with the LHCb detector, corresponding to an integrated luminosity of about 3 fb−1, the value ∆ACP = (0.8 ± 2.1 ± 0.2)% is obtained. The first uncertainty is statistical and the second corresponds to one of the dominant systematic effects. As the result is compatible with zero, no evidence of CP violation is found. This is the most precise measurement of CP violation in the decays of baryons containing the b quark to date. Once the analysis will be completed with an exhaustive study of systematic uncertainties, the results will be published by the LHCb Collaboration.

Caratterizzazione di un rivelatore MCP-PMT per misure di risoluzione temporale e spaziale.

Questa tesi descrive una prima serie di misure effettuate per caratterizzare le prestazioni di un rivelatore di fotoni MCP-PMT a multi anodo, con particolare enfasi sulla risoluzione temporale e spaziale. I risultati sono stati confrontati con quelli relativi a tre ulteriori rivelatori (un MCP-PMT a singolo anodo e due fotomoltiplicatori a silicio). Le misure sono state effettuate presso i Laboratori dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN - Sezione di Bologna) per conto del Dipartimento di Fisica dell’Università di Bologna. La rivelazione della luce ha sempre occupato un posto fondamentale nella Fisica Nucleare e Subnucleare. Il principio base della rivelazione consiste nel trasformare la luce incidente in un segnale elettrico misurabile e i primi strumenti storicamente utilizzati furono i fotomoltiplicatori. Successivamente furono introdotti dei nuovi rivelatori di fotoni chiamati Micro Channel Plates, composti da un array di canali di dimensioni microscopiche, ciascuno in grado di moltiplicare gli elettroni prodotti per effetto fotoelettrico dai fotoni incidenti. Questo nuovo modello presenta ottime prestazioni in particolare per quanto riguarda la risoluzione temporale, e questa insieme ad altre caratteristiche (come la segmentazione degli anodi, che permette una risoluzione spaziale migliore), ha spinto a studiarne il funzionamento.

Studio della risposta temporale di fotorivelatori con diversi accoppiamenti a scintillatori e diversa elettronica di front end e di read out

Lo scopo di questa tesi è lo studio, mediante misure sperimentali con un telescopio per raggi cosmici, della risposta temporale di rivelatori a scintillazione accoppiati a diversi tipi di fotorivelatori. In particolare sono stati studiati due tipi di fotorivelatori: i fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) ed i rivelatori MicroChannel Plate (MCP); entrambi i sensori presentano ottime caratteristiche per ciò che concerne la risposta temporale. Per una migliore caratterizzazione dei fotorivelatori e per una maggiore completezza dello studio sono stati analizzati anche diversi modelli di accoppiamento tra gli scintillatori ed i sensori, sia a diretto contatto che tramite fibre ottiche. Per cercare di sfruttare al meglio le eccellenti proprietà temporali, sono state utilizzate anche diverse schede di front end veloce e diversa elettronica di read out. In particolare in questa tesi, per la prima volta, è stata usata, per lo studio di questi nuovi fotorivelatori, l’elettronica di front end e read out realizzata per il rivelatore TOF dell’esperimento ALICE a LHC. I risultati di questa tesi rappresentano un punto di partenza per la realizzazione di rivelatori con ottima risoluzione temporale in esperimenti di fisica nucleare ed subnucleare (definizione del trigger, misure di tempo di volo, calorimetria). Altre interessanti applicazioni sono possibili in ambito medico, in particolare strumenti di diagnostica avanzata quali ad esempio la PET.

Study of cosmic nuclei fluxes with AMS-02: implication for dark matter search

L’Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) é un rivelatore per raggi cosmici (CR) progettato e costruito da una collaborazione internazionale di 56 istituti e 16 paesi ed installato il 19 Maggio del 2011 sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Orbitando intorno alla Terra, AMS-02 sará in grado di studiare con un livello di accuratezza mai raggiunto prima la composizione dei raggi cosmici, esplorando nuove frontiere nella fisica delle particelle, ricercando antimateria primordiale ed evidenze indirette di materia oscura. Durante il mio lavoro di tesi, ho utilizzato il software GALPROP per studiare la propagazione dei CR nella nostra Galassia attraverso il mezzo interstellare (ISM), cercando di individuare un set di parametri in grado di fornire un buon accordo con i dati preliminari di AMS-02. In particolare, mi sono dedicata all’analisi del processo di propagazione di nuclei, studiando i loro flussi e i relativi rapporti. Il set di propagazione ottenuto dall’analisi é stato poi utilizzato per studiare ipotetici flussi da materia oscura e le possibili implicazioni per la ricerca indiretta attraverso AMS-02.