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.

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.

Firmware development and testing for L1/L2 IBL upgrade

Il lavoro di questa tesi riguarda principalmente l'upgrade, la simulazione e il test di schede VME chiamate ReadOut Driver (ROD), che sono parte della catena di elaborazione ed acquisizione dati di IBL (Insertable B-Layer). IBL è il nuovo componente del Pixel Detector dell'esperimento ATLAS al Cern che è stato inserito nel detector durante lo shut down di LHC; fino al 2012 infatti il Pixel Detector era costituito da tre layer, chiamati (partendo dal più interno): Barrel Layer 0, Layer 1 e Layer 2. Tuttavia, l'aumento di luminosità di LHC, l'invecchiamento dei pixel e la richiesta di avere misure sempre più precise, portarono alla necessità di migliorare il rivelatore. Così, a partire dall'inizio del 2013, IBL (che fino a quel momento era stato un progetto sviluppato e finanziato separatamente dal Pixel Detector) è diventato parte del Pixel Detector di ATLAS ed è stato installato tra la beam-pipe e il layer B0. Questa tesi fornirà innanzitutto una panoramica generale dell'esperimento ATLAS al CERN, includendo aspetti sia fisici sia tecnici, poi tratterà in dettaglio le varie parti del rivelatore, con particolare attenzione su Insertable B-Layer. Su quest'ultimo punto la tesi si focalizzerà sui motivi che ne hanno portato alla costruzione, sugli aspetti di design, sulle tecnologie utilizzate (volte a rendere nel miglior modo possibile compatibili IBL e il resto del Pixel Detector) e sulle scelte di sviluppo e fabbricazione. La tesi tratterà poi la catena di read-out dei dati, descrivendo le tecniche di interfacciamento con i chip di front-end, ed in particolare si concentrerà sul lavoro svolto per l'upgrade e lo sviluppo delle schede ReadOut Drivers (ROD) introducendo le migliorie da me apportate, volte a eliminare eventuali difetti, migliorare le prestazioni ed a predisporre il sistema ad una analisi prestazionale del rivelatore. Allo stato attuale le schede sono state prodotte e montate e sono già parte del sistema di acquisizione dati del Pixel Detector di ATLAS, ma il firmware è in continuo aggiornamento. Il mio lavoro si è principalmente focalizzato sul debugging e il miglioramento delle schede ROD; in particolare ho aggiunto due features: - programmazione parallela delle FPGA} delle ROD via VME. IBL richiede l'utilizzo di 15 schede ROD e programmandole tutte insieme (invece che una alla volta) porta ad un sensibile guadagno nei tempi di programmazione. Questo è utile soprattutto in fase di test; - reset del Phase-Locked Loop (PLL)} tramite VME. Il PLL è un chip presente nelle ROD che distribuisce il clock a tutte le componenti della scheda. Avere la possibilità di resettare questo chip da remoto permette di risolvere problemi di sincronizzazione. Le ReadOut Driver saranno inoltre utilizzate da più layer del Pixel Detector. Infatti oltre ad IBL anche i dati provenienti dai layer 1 e 2 dei sensori a pixel dell’esperimento ATLAS verranno acquisiti sfruttando la catena hardware progettata, realizzata e testata a Bologna.

Beam Halo Monitor: il nuovo rivelatore di alone del fascio per l'esperimento CMS a LHC

In questa tesi sono le descritte le fasi progettuali e costruttive del Beam Halo Monitor (BHM), un rivelatore installato sull'esperimento CMS, durante il primo lungo periodo di shutdown di LHC, che ha avuto luogo tra il 2013 ed il 2015. BHM è un rivelatore ad emissione di luce Cherenkov ed ha lo scopo di monitorare le particelle di alone prodotte dai fasci di LHC, che arrivano fino alla caverna sperimentale di CMS, ad ogni bunch crossing (25 ns). E' composto da 40 moduli, installati alle due estremità di CMS, attorno alla linea di fascio, ad una distanza di 1.8 m da questa. Ciascun modulo è costituito da un cristallo di quarzo, utilizzato come radiatore ed un fotomoltiplicatore. Sono descritte in maniera particolare le prove eseguite sui moduli che lo compongono: la caratterizzazione dei fotomoltiplicatori ed i test di direzionalità della risposta. Queste costituiscono la parte di lavoro che ho svolto personalmente. Inoltre sono descritte le fasi di installazione del rivelatore nella caverna sperimentale, a cui ho preso parte ed alcuni test preliminari per la verifica del funzionamento.

Misure preliminari a temperature variabili su SiPM per future applicazioni nell'esperimento XENON

Negli ultimi decenni la materia oscura è stata oggetto di crescente interesse scientifico: dati sperimentali indicano che essa costituisce il 26.8% della massa totale dell'Universo ma le sue origini e natura rimangono ancora ignote. Essa interagisce solo gravitazionalmente in quanto priva di carica, caratteristica che ne rende molto difficile la rivelazione. Numerosi esperimenti in tutto il mondo sono alla ricerca di maggiori informazioni riguardo la natura della materia oscura tramite metodi di rivelazione indiretta e diretta; questi ultimi sono accumunati da rivelatori molto massivi per sopperire alla piccola sezione d'urto di interazione e situati in ambienti molto isolati per diminuire il rumore di fondo dovuto alla radioattività terrestre. Tra le varie ipotesi avanzate riguardo la natura della materia oscura spiccano le WIMP, Weakly Interacting Massive Particle. L'esperimento XENON, situato ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, si occupa della rivelazione diretta di WIMP studiandone l'urto elastico con i nuclei di Xeno, presente allo stato liquido e gassoso all'interno della TPC, il rivelatore fulcro dell'esperimento. I primi risultati dell'ultima fase del progetto sono attesi per l'inizio del 2016; grazie alla massa fiduciale di circa una tonnellata di Xeno, da cui il nome XENON1T, e a migliorie atte a diminuire il rumore di fondo, quali la scelta accurata di materiali a bassa radioattività e a un sistema di veto dei muoni, si ipotizza che il rivelatore raggiungerà una sensibilità due ordini di grandezza superiore a quelle finora raggiunte. Sono in fase di ricerca soluzioni per incrementare la raccolta di luce del rivelatore, nell'ottica di diminuire l'energia di soglia di rivelazione migliorandone la sensibilità. Una delle possibili soluzioni consiste nell'affiancare i PMT già in uso con fotomoltiplicatori al Silicio SiPM. Essi dovranno essere in grado di lavorare a una temperatura di sim ~170 K ed avere una buona efficienza di rivelazione per fotoni di lunghezza d'onda di ~178 nm. Questo lavoro di tesi si colloca nell'ambito di tale progetto di ricerca e sviluppo. Lo scopo del lavoro di tesi presentato è stato la misura della variazione di guadagno e conteggi di buio dei SiPM a disposizione in funzione della temperatura

Search for supersymmetry using final states with one lepton, jets, and missing transverse momentum with the ATLAS detector in √s=7 TeV pp collisions

This Letter presents the first search for supersymmetry in final states containing one isolated electron or muon, jets, and missing transverse momentum from √s=7  TeV proton-proton collisions at the LHC. The data were recorded by the ATLAS experiment during 2010 and correspond to a total integrated luminosity of 35  pb(-1). No excess above the standard model background expectation is observed. Limits are set on the parameters of the minimal supergravity framework, extending previous limits. Within this framework, for A(0)=0 GeV, tanβ=3, and μ>0 and for equal squark and gluino masses, gluino masses below 700 GeV are excluded at 95% confidence level.

Search for a standard model Higgs boson in the H→ZZ→ℓ(+)ℓ(-)νν decay channel with the ATLAS detector

A search for a heavy standard model Higgs boson decaying via H→ZZ→→ℓ(+)ℓ(-)νν, where ℓ=e, μ, is presented. It is based on proton-proton collision data at √s=7 TeV, collected by the ATLAS experiment at the LHC in the first half of 2011 and corresponding to an integrated luminosity of 1.04 fb(-1). The data are compared to the expected standard model backgrounds. The data and the background expectations are found to be in agreement and upper limits are placed on the Higgs boson production cross section over the entire mass window considered; in particular, the production of a standard model Higgs boson is excluded in the region 340

Jet energy measurement with the ATLAS detector in proton-proton collisions at sqrt(s) = 7 TeV

The jet energy scale (JES) and its systematic uncertainty are determined for jets measured with the ATLAS detector at the LHC in proton-proton collision data at a centre-of-mass energy of sqrt(s) = 7 TeV corresponding to an integrated luminosity of 38 inverse pb. Jets are reconstructed with the anti-kt algorithm with distance parameters R=0.4 or R=0.6. Jet energy and angle corrections are determined from Monte Carlo simulations to calibrate jets with transverse momenta pt > 20 GeV and pseudorapidities eta<4.5. The JES systematic uncertainty is estimated using the single isolated hadron response measured in situ and in test-beams. The JES uncertainty is less than 2.5% in the central calorimeter region (eta<0.8) for jets with 60 < pt < 800 GeV, and is maximally 14% for pt < 30 GeV in the most forward region 3.2 50 GeV after a dedicated correction for this effect. The JES is validated for jet transverse momenta up to 1 TeV to the level of a few percent using several in situ techniques by comparing a well-known reference such as the recoiling photon pt, the sum of the transverse momenta of tracks associated to the jet, or a system of low-pt jets recoiling against a high-pt jet. More sophisticated jet calibration schemes are presented based on calorimeter cell energy density weighting or hadronic properties of jets, providing an improved jet energy resolution and a reduced flavour dependence of the jet response. The JES systematic uncertainty determined from a combination of in situ techniques are consistent with the one derived from single hadron response measurements over a wide kinematic range. The nominal corrections and uncertainties are derived for isolated jets in an inclusive sample of high-pt jets.

Observation of Associated Near-Side and Away-Side Long-Range Correlations in √sNN=5.02 TeV Proton-Lead Collisions with the ATLAS Detector

Two-particle correlations in relative azimuthal angle (Delta phi) and pseudorapidity (Delta eta) are measured in root S-NN = 5.02 TeV p + Pb collisions using the ATLAS detector at the LHC. The measurements are performed using approximately 1 mu b(-1) of data as a function of transverse momentum (p(T)) and the transverse energy (Sigma E-T(Pb)) summed over 3.1 < eta < 4.9 in the direction of the Pb beam. The correlation function, constructed from charged particles, exhibits a long-range (2 < vertical bar Delta eta vertical bar < 5) "near-side" (Delta phi similar to 0) correlation that grows rapidly with increasing Sigma E-T(Pb). A long-range "away-side" (Delta phi similar to pi) correlation, obtained by subtracting the expected contributions from recoiling dijets and other sources estimated using events with small Sigma E-T(Pb), is found to match the near-side correlation in magnitude, shape (in Delta eta and Delta phi) and Sigma E-T(Pb) dependence. The resultant Delta phi correlation is approximately symmetric about pi/2, and is consistent with a dominant cos2 Delta phi modulation for all Sigma E-T(Pb) ranges and particle p(T).

Measurement of charged-particle event shape variables in inclusive √(s)=7 TeV proton-proton interactions with the ATLAS detector

The measurement of charged-particle event shape variables is presented in inclusive inelastic pp collisions at a center-of-mass energy of 7 TeV using the ATLAS detector at the LHC. The observables studied are the transverse thrust, thrust minor, and transverse sphericity, each defined using the final-state charged particles' momentum components perpendicular to the beam direction. Events with at least six charged particles are selected by a minimum-bias trigger. In addition to the differential distributions, the evolution of each event shape variable as a function of the leading charged-particle transverse momentum, charged-particle multiplicity, and summed transverse momentum is presented. Predictions from several Monte Carlo models show significant deviations from data.

Expected performance of the ATLAS experiment - detector, trigger and physics

A detailed study is presented of the expected performance of the ATLAS detector. The reconstruction of tracks, leptons, photons, missing energy and jets is investigated, together with the performance of b-tagging and the trigger. The physics potential for a variety of interesting physics processes, within the Standard Model and beyond, is examined. The study comprises a series of notes based on simulations of the detector and physics processes, with particular emphasis given to the data expected from the first years of operation of the LHC at CERN.

Measurement of the high-mass Drell–Yan differential cross-section in pp collisions at with the ATLAS detector

This Letter reports a measurement of the high-mass Drell-Yan differential cross-section in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 7 TeV at the LHC. Based on an integrated luminosity of 4.9 fb^-^1, the differential cross-section in the Z/@c^@?->e^+e^- channel is measured with the ATLAS detector as a function of the invariant mass, m_e_e, in the range 11625 GeV and pseudorapidity |@h|<2.5. A comparison is made to various event generators and to the predictions of perturbative QCD calculations at next-to-next-to-leading order.

Dynamics of isolated-photon plus jet production in pp collisions at with the ATLAS detector

The dynamics of isolated-photon plus jet production in pp collisions at a centre-of-mass energy of 7 TeV has been studied with the ATLAS detector at the LHC using an integrated luminosity of 37 pb^-^1. Measurements of isolated-photon plus jet bin-averaged cross sections are presented as functions of photon transverse energy, jet transverse momentum and jet rapidity. In addition, the bin-averaged cross sections as functions of the difference between the azimuthal angles of the photon and the jet, the photon-jet invariant mass and the scattering angle in the photon-jet centre-of-mass frame have been measured. Next-to-leading-order QCD calculations are compared to the measurements and provide a good description of the data, except for the case of the azimuthal opening angle.

Search for new phenomena in photon+jet events collected in proton–proton collisions at √s = 8 TeV with the ATLAS detector

This Letter describes a model-independent search for the production of new resonances in photon + jet events using 20 inverse fb of proton--proton LHC data recorded with the ATLAS detector at a centre-of-mass energy of s√ = 8 TeV. The photon + jet mass distribution is compared to a background model fit from data; no significant deviation from the background-only hypothesis is found. Limits are set at 95% credibility level on generic Gaussian-shaped signals and two benchmark phenomena beyond the Standard Model: non-thermal quantum black holes and excited quarks. Non-thermal quantum black holes are excluded below masses of 4.6 TeV and excited quarks are excluded below masses of 3.5 TeV.