Test hardware del secondo batch di schede ROD per il layer 2 del pixel detector dell'esperimento ATLAS al CERN

In questa tesi viene seguito il lavoro di test delle schede ROD del layer 2 del Pixel Detector dell’ esperimento ATLAS, che mira a verificare la loro corretta funzionalità, prima che vengano spedite nei laboratori del CERN. Queste nuove schede gestiscono i segnali in arrivo dal Pixel Detector di ATLAS, per poi inviarli ai computer per la successiva elaborazione. Le schede ROD andranno a sostituire le precedenti schede SiROD nella catena di acquisizione dati dell’esperimento, procedendo dal nuovo strato IBL, e proseguendo con i tre layer del Pixel Detector, corroborando l’aggiornamento tecnologico e prestazionale necessario in vista dell’incremento di luminosità dell’esperimento.

Three Generations of FPGA DAQ Development for the ATLAS Pixel Detector

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

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.

Identification of Hadronically Decaying Tau Leptons in Searches for Heavy MSSM Higgs Bosons with the CMS Detector at the CERN LHC

This thesis describes methods for the reliable identification of hadronically decaying tau leptons in the search for heavy Higgs bosons of the minimal supersymmetric standard model of particle physics (MSSM). The identification of the hadronic tau lepton decays, i.e. tau-jets, is applied to the gg->bbH, H->tautau and gg->tbH+, H+->taunu processes to be searched for in the CMS experiment at the CERN Large Hadron Collider. Of all the event selections applied in these final states, the tau-jet identification is the single most important event selection criterion to separate the tiny Higgs boson signal from a large number of background events. The tau-jet identification is studied with methods based on a signature of a low charged track multiplicity, the containment of the decay products within a narrow cone, an isolated electromagnetic energy deposition, a non-zero tau lepton flight path, the absence of electrons, muons, and neutral hadrons in the decay signature, and a relatively small tau lepton mass compared to the mass of most hadrons. Furthermore, in the H+->taunu channel, helicity correlations are exploited to separate the signal tau jets from those originating from the W->taunu decays. Since many of these identification methods rely on the reconstruction of charged particle tracks, the systematic uncertainties resulting from the mechanical tolerances of the tracking sensor positions are estimated with care. The tau-jet identification and other standard selection methods are applied to the search for the heavy neutral and charged Higgs bosons in the H->tautau and H+->taunu decay channels. For the H+->taunu channel, the tau-jet identification is redone and optimized with a recent and more detailed event simulation than previously in the CMS experiment. Both decay channels are found to be very promising for the discovery of the heavy MSSM Higgs bosons. The Higgs boson(s), whose existence has not yet been experimentally verified, are a part of the standard model and its most popular extensions. They are a manifestation of a mechanism which breaks the electroweak symmetry and generates masses for particles. Since the H->tautau and H+->taunu decay channels are important for the discovery of the Higgs bosons in a large region of the permitted parameter space, the analysis described in this thesis serves as a probe for finding out properties of the microcosm of particles and their interactions in the energy scales beyond the standard model of particle physics.

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.

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.

Measurements of Wgamma and Zgamma production in pp collisions at sqrts= 7 TeV with the ATLAS detector the LHC

The integrated and differential fiducial cross sections for the production of a W or Z boson in association with a high-energy photon are measured using pp collisions at root s = 7 TeV. The analyses use a data sample with an integrated luminosity of 4.6 fb(-1) collected by the ATLAS detector during the 2011 LHC data-taking period. Events are selected using leptonic decays of the W and Z bosons [W(e nu, mu nu) and Z(e(+)e(-), mu(+)mu(-), nu(nu) over bar)] with the requirement of an associated isolated photon. The data are used to test the electroweak sector of the Standard Model and search for evidence for new phenomena. The measurements are used to probe the anomalous WW gamma, ZZ gamma, and Z gamma gamma triple-gauge-boson couplings and to search for the production of vector resonances decaying to Z gamma and W gamma. No deviations from Standard Model predictions are observed and limits are placed on anomalous triple-gauge-boson couplings and on the production of new vector meson resonances.

Electron and photon energy calibration with the ATLAS detector using LHC Run 1 data

This paper presents the electron and photon energy calibration achieved with the ATLAS detector using about 25 fb−1 of LHC proton–proton collision data taken at centre-of-mass energies of √s = 7 and 8 TeV. The reconstruction of electron and photon energies is optimised using multivariate algorithms. The response of the calorimeter layers is equalised in data and simulation, and the longitudinal profile of the electromagnetic showers is exploited to estimate the passive material in front of the calorimeter and reoptimise the detector simulation. After all corrections, the Z resonance is used to set the absolute energy scale. For electrons from Z decays, the achieved calibration is typically accurate to 0.05% in most of the detector acceptance, rising to 0.2% in regions with large amounts of passive material. The remaining inaccuracy is less than 0.2–1% for electrons with a transverse energy of 10 GeV, and is on average 0.3% for photons. The detector resolution is determined with a relative inaccuracy of less than 10% for electrons and photons up to 60 GeV transverse energy, rising to 40% for transverse energies above 500 GeV.

Estudo da produção de multijatos em colisões próton-próton com √s= 7 TeV no detector CMS/LHC

O Compact Muon Solenoid (CMS) é um dos principais detectores instalados no LHC que possibilita o estudo de diferentes aspectos da Física, indo do Modelo Padrão à matéria escura. Esse detector de propósito geral, foi construído para ser capaz de medir múons com uma grande precisão e todos os seus subdetectores foram construídos com uma alta granularidade, tornando possível identificar e caracterizar as propriedades cinemáticas das partículas finais da colisão. O algoritmo de reconstrução de eventos inclui a identificação de jatos, ou seja, é possível identificar a assinatura da produção de pártons na colisão e a medida de seções de choque da produção de muitos jatos é um dos métodos para se explorar as contribuições da Cromodinâmica Quântica (Quantum Chromodynamics - QCD) perturbativa, permitindo avaliar as previsões implementadas nas simulações de eventos. Tendo em vista a caracterização de processos relacionados com a QCD em colisões de próton-próton a uma energia do centro de massa de 7 TeV, é apresentada a medida da seção de choque da produção inclusiva de multijatos no CMS. Para realizar essa medida foram utilizados dados reais coletados em 2010, onde não se apresentava muitas colisões por cruzamento de pacote, com uma luminosidade integrada de L = 2,869 pb-1 e utilizando jatos que estão em quase todo o espaço de fase acessível em pseudorapidez |n|≤ 4,8 e momentum transverso pT ≥ 30 GeV/ c2. Desse resultado foram removidos os efeitos de detecção comparado com predições simuladas.

Development and testing of the atlas ibl rod pre production boards

Il lavoro di questa tesi riguarda principalmente la progettazione, simulazione e test di laboratorio di tre versioni successive di schede VME, chiamate Read Out Driver (ROD), che sono state fabbricate per l'upgrade del 2014 dell'esperimento ATLAS Insertable B-Layer (IBL) al CERN. IBL è un nuovo layer che diverrà parte del Pixel Detector di ATLAS. Questa tesi si compone di una panoramica descrittiva dell'esperimento ATLAS in generale per poi concentrarsi sulla descrizione del layer specifico IBL. Inoltre tratta in dettaglio aspetti fisici e tecnici: specifiche di progetto, percorso realizzativo delle schede e test conseguenti. Le schede sono state dapprima prodotte in due prototipi per testare le prestazioni del sistema. Queste sono state fabbricate al fine di valutare le caratteristiche e prestazioni complessive del sistema di readout. Un secondo lotto di produzione, composto di cinque schede, è stato orientato alla correzione fine delle criticità emerse dai test del primo lotto. Un'indagine fine e approfondita del sistema ha messo a punto le schede per la fabbricazione di un terzo lotto di altre cinque schede. Attualmente la produzione è finita e complessivamente sono state realizzate 20 schede definitive che sono in fase di test. La produzione sarà validata prossimamente e le 20 schede verranno consegnate al CERN per essere inserite nel sistema di acquisizione dati del rivelatore. Al momento, il Dipartimento di Fisica ed Astronomia dell'Università di Bologna è coinvolto in un esperimento a pixel solamente attravers IBL descritto in questa tesi. In conclusione, il lavoro di tesi è stato prevalentemente focalizzato sui test delle schede e sul progetto del firmware necessario per la calibrazione e per la presa dati del rivelatore.