Demonstrator system for the phase-I trigger readout upgrade of the ATLAS liquid argon calorimeter at the LHC

Abstract

ATLAS is one of the two general-purpose detectors at the Large Hadron Collider (LHC), designed to search for a large range of physics phenomena, from extra dimensions and dark matter, supersymmetry and other beyond standard model scenarios, to the Higgs boson, which was discovered in 2012. The LHC is a particle accelerator providing proton-proton collisions at centre-of-mass energies up to 14 TeV, which will reach peak instantaneous luminosities of L= 5-7 * 10³- cm-² s-¹ in the course of its planned high-luminosity (HL-LHC) upgrade to be completed around 2026. Upgrades of the experiments are also under way. The Phase-I upgrade, part of which is the main topic of this thesis, is already partially completed. It allows ATLAS to keep its sensitivity for new physics phenomena in spite of the growing luminosity and thus more challenging experimental conditions. In particular, similar momentum or energy trigger thresholds as during the first running period of the LHC may be maintained. This is achieved by increasing the granularity of the calorimeter Level-1 trigger systems and by introducing new muon trigger and tracking detectors in the forward direction. Precision measurements of the couplings of the Higgs boson, as well as searches for supersymmetric or other particles in a large region of the parameter space, rely on the capability of efficiently selecting leptons with low transverse momenta. Additionally, a new set of very far forward detectors will enable ATLAS to explore events with signatures of jets or leptons in the high rapidity region. The ATLAS experiments records data using a sophisticated trigger and data acquisition system. The trigger selects collision events for permanent storage and physics analysis. The initial rate of 40 MHz is reduced in several stages to 100-200~Hz of data which is written on tape. With the upgrade of ATLAS, the trigger system need to be upgraded as well, in order to make full use of the LHC's potential and not to lose events interesting for physics. This thesis presents the ATLAS Liquid Argon (LAr) calorimeter Phase-I Upgrade whose objective is to provide higher-granularity, higher-resolution and longitudinal shower shape information from the calorimeter to the Level-1 trigger processors. The upgrade will improve the trigger energy resolution and efficiency for selecting electrons, photons, $\tau$ leptons, jets and missing transverse momentum, while enhancing discrimination against underlying events with low energy and transverse momentum (pile-up). In order to be able to test the Phase-I upgrade system already in the current data taking period of the LHC, in the framework of this thesis a demonstrator system was installed in a small part of the ATLAS detector, running in parallel with the legacy trigger readout. In this way, several measurements could already be performed on the new system, as matching events measured by the currently employed ATLAS Level-1 trigger to events measured by the new system. The second part of the thesis presents results of an evaluation of the potential impact of several ATLAS Inner Tracker Upgrade scenarios for the HL-LHC on the electroweak same-sign WW Vector Boson Scattering (W-- W-- jj) channel, intended to aid the optimization of the Phase-II Upgrade projects. The outcome emphasizes the importance of forward jet reconstruction in case of high pile-up scenarios of up to an average of 200 superimposed interactions per LHC beam crossing. Hence, this channel provides a strong argument to expand the plans of the current Inner Tracker Upgrade. This analysis provides an excellent measure for the benefit of several Phase-II upgrade scenarios, particularly in the forward region.

ATLAS ist einer von zwei Mehrzweckdetektoren am Large Hadron Collider (LHC), dem großen Hadronenspeicherring am CERN (Europaeische Organisation für Teilchenphysik), der darauf ausgelegt wurde, eine große Spannweite an physikalischen Phaenomen, angefangen von Extradimensionen und Dunkler Materie, Supersymmetrie und anderen Szenarios jenseits des Standardmodells, bis zum Higgs Boson, das 2012 entdeckt wurde, zu messen. Der LHC ist ein Teilchenbeschleuniger, der Protonen mit Protonen bei einer Schwerpunktenergie von bis zu 14 TeV zur Kollision bringt. Er wird instantane Spitzenluminositaeten von L= 5-7 * 10³- cm-² s-¹ im Zuge der Aufruestung zum High-Luminosity (HL) LHC, die um 2023 geplant ist, erreichen. Eine Aufruestung der Experimente am LHC ist ebenfalls im Gange. Die erste Aufruestungsphase (Phase-I), die zum Teil auch das Hauptthema dieser Dissertation ist, ist teilweise beendet. Diese erlaubt ATLAS, die bisherige Sensitivitart gegenueber neuen physikalischen Phaenomenen trotz hoeherer Luminositaet und kontinuierlich schwieriger werdenden experimentellen Bedingungen beizubehalten. Insbesondere ist es wichtig, aehnliche Schwellenwerte des Triggers für Energie und Impuls beizubehalten. Das wird durch die Erhoehung der Granularitaet der Kalorimeter Level-1 Trigger Systeme und dem Hinzufuegen neuer Mueonentrigger und Spurdetektoren in der Region hoher Rapiditaet erreicht. Praezisionsmessungen der Kopplungen des Higgs Bosons, sowie die Suche nach supersymmetrischen oder anderen Teilchen ist in einem großen Teil des Phasenraums auf die effiziente Selektion von Leptonen mit niedrigem transversalen Impuls angewiesen. Zusaetzlich wird eine Reihe von Detektoren, die in dem Bereich sehr hoher Rapiditaet installiert werden, es erlauben, auch Ereignisse in dieser Region zu messen. Das ATLAS Experiment verwendet ein ausgekluegeltes Sytem für den Trigger und die Datenerfassung bei der Datennahme. Der Trigger waehlt die Ereignisse aus, die dauerhaft gespeichert und für Physikanalysen verwendet werden. Die anfaengliche Rate von 40 MHz wird nach zahlreichen Zwischenstufen auf 100-200 Hz reduziert und auf Band geschrieben. Mit der Aufruestung von ATLAS muss auch das Trigger-System verbessert werden, um das volle Potential des LHC ausschoepfen zu koennen und nicht Ereignisse, die dem Auffinden interessanter Physik dienen koennten, zu verlieren. Diese Dissertation stellt die Aufruestung des ATLAS Fluessigargon-Kalorimeters (LAr) im Rahmen der Phase-I dar. Dessen Ziel ist es, Daten hoeherer Granularitaet, Aufloesung und mit longitudinaler Information von Teilchenschauern für die Level-1 Triggerprozessoren bereitzustellen. Die Aufruestung wird die Energieaufloesung des Triggersystems und die Selektionseffizienz für Elektronen, Photonen, tau-Leptonen, Teilchenjets und für fehlende transversale Energie erhoehen und gleichzeitig die Unterdrueckung von ueberlagerten Ereignissen niedriger Energie und transversalem Impuls (Pile-Up) verbessern. Um das neue System fuer die Phase-I Aufruestung bereits in diesem Abschnitt der Datennahme testen zu koennen, wurde im Rahmen dieser Dissertation ein Prototyp in einem kleinen Teil von ATLAS eingebaut, der parallel zu dem jetzigen System laeuft. Auf diese Weise konnten bereits zahlreiche Untersuchungen durchgefuehrt werden, wie beispielsweise der Vergleich von Ereignissen, die von dem alten und dem neuen System gemessen wurden. Der zweite Teil dieser Arbeit beinhaltet die Ergebnisse der Evaluierung der moeglichen Auswirkungen von mehreren Verbesserungsszenarien des Spurdetektors von ATLAS für den HL-LHC auf die elektroschwache Streuung von WW Vektorbosonen mit gleicher Ladung (W-- W-- jj). Die Evaluierung dient der Optimierung der Phase-II Projekte. Das Ergebnis unterstreicht die Wichtigkeit der Rekonstruktion von Teilchenjets in der Region hoher Rapiditaet bei einem Szenario mit im Mittel bis zu 200 Wechselwirkungen pro LHC Teilchenstrahl-Kreuzung. Somit liefert dieser Zerfallskanal ein gutes Argument, die derzeitigen Plaene des ATLAS Spurdetektors auszudehnen. Diese Analyse ist ein hervorragender Maßstab fuer den Nutzen der Aufruestungsszenarien der Phase-II, insbesondere für den Teil hoher Rapiditaet.