The one-armed ATLAS forward proton detector

Abstract

L'experiment ATLAS al Laboratori Europeu de Física de Partícules (CERN), Ginebra, ha obtingut dades amb èxit des que el Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC en anglès) començà a ser operatiu el 2010. Des de llavors, ha estat generant col·lisions de protó-protó per estudiar les fronteres de la física de partícules, a una energia al centre de masses de, primer 7-8 TeV i més recentment de 13 TeV. Tot i això, l'experiment es troba en evolució constant: la degradació dels detectors a causa de la radiació, l'increment de la freqüència de les col·lisions i nous objectius científics sovint requereixen millores als detectors d'ATLAS. Aquests nous reptes motiven la continuada recerca i el desenvolupament de noves tecnologies de detectors. Per ampliar la recerca de física de partícules a l'experiment, la col·laboració d'ATLAS afegí recentment un detector "forward" per identificar protons emergits de col·lisions al LHC a angles petits. El detector de Protons Difractius d'ATLAS (o AFP, de l'anglès "ATLAS Forward Proton") capacita la identificació de processos difractius i esdeveniments centrals exclusius, permetent per exemple la cerca de noves ressonàncies pesades en esdeveniment nets. L'AFP consisteix en detectors de traces de silici instal·lats a poca distància del feix de protons del LHC i a ~210 m del punt d'interacció a cada costat d'ATLAS, juntament amb detectors de temps de vol per reduir senyals de fons produïts per l'acumulació de col·lisions. Els detectors de silici han de demostrar la suficient resistència a la radiació, una bona resolució espacial i els requeriments d'àrea activa necessaris per AFP. La tecnologia de sensors de píxels 3D, primerament utilitzada en el detector IBL d'ATLAS, ha sigut desenvolupat i qualificat per AFP. El “detector AFP d'un braç”, en el qual aquesta tesi està basada, es refereix a l'etapa en la qual el detector AFP consistia només de detectors de traces de silici en un dels costats d'ATLAS, que va ser instal·lat a principis de 2016. La instal·lació es va completar un any després, quan tant els detectors de traces com els de temps de vol es van instal·lar als dos costats d'ATLAS. Aquesta tesi descriu el procés complet de caracterització de la tecnologia del detector de traces de silici, producció, instal·lació i anàlisi de dades del detector AFP en la seva primera etapa.

The ATLAS experiment at the European Laboratory for Particle Physics (CERN), Geneva, has been taking data successfully since the Large Hadron Collider (LHC) accelerator started operations in 2010. Since then, it has been generating proton-proton collisions to study the frontiers of particle physics, at a centre of mass energy of 7-8 TeV first and, more recently, 13 TeV. However, the experiment is in constant evolution: detectors ageing due to radiation damage, increasing collision rates and pile-up, and new scientific objectives often require upgrades of the ATLAS detectors. These ever-growing challenges motivate the continued research and development of new detector technologies. To enhance the physics search of the experiment the ATLAS collaboration recently added a forward detector to identify intact protons that emerge from LHC collisions at very shallow angles. The ATLAS Forward Proton (AFP) detector enables the identification of diffractive processes and, ultimately, of central exclusive events, thus allowing, for example, the search of new heavy resonances in clean events. AFP consists of silicon trackers installed very close to the LHC proton beam and at ~210 m from the interaction point (IP) at each side of ATLAS, in addition to Time-of-Flight detectors for pile-up removal. AFP needs the silicon tracker to fulfil challenging radiation hardness, spatial resolution and active area requirements. The novel 3D pixel sensor technology, first employed in the ATLAS Insertable B-Layer, was further developed and qualified for AFP. The “one-armed AFP detector”, on which this thesis is focused, refers to the stage in which the AFP detector consisted only of silicon trackers in one side of ATLAS, installed at the beginning of 2016. The full installation was successfully finished one year later, when both silicon trackers and Time-of-Flight detectors were installed in both sides of ATLAS. This thesis describes the full process of technology characterization of the silicon tracker, production, installation, operation and particle physics data analysis of the one-armed AFP detector.