Study of diboson production and of the Fast Tracker upgrade in the ATLAS experiment at CERN
Authors: Γκαϊτατζής Σταμάτιος 
Published: September 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται σε τρία συνδεόμενα αλλά διακριτά θέματα. Το πρώτο θέμα είναι η μελέτη της παραγωγής των διμποζονίωνW±Z και ZZ από συγκρούσεις πρωτονίων σε ενέργεια κέντρου μάζας √s = 8 TeV, στον Μεγαλο Επιταχυντή Αδρονίων (Large Hadron Collider, LHC). Τα δεδομένα για τις δύο αυτές μελέτες συλλέχθηκαν από τον ανιχνευτή ATLAS την περίοδο 2012 − 2013. Τα γεγονότα που επιλέχθηκαν περιλαμβάνουν δύο, τρία ή τέσσερα λεπτόνια (ηλεκτρόνια ή μιόνια) λόγω της σχετικής ευκολίας στην επιλογή των γεγονότων αυτών σε πραγματικό χρόνο. Η διατριβή αυτή ασχολείται με τη θεωρητική μελέτη της παραγωγής των γεγονότων αυτών, η προσομοίωση των οποίων πραγματοποιήθηκε με γεννήτορες Monte Carlo. Για τα γεγονότα W±Z χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Powheg, ενώ η αντίστοιχη μελέτη για την παραγωγή των γεγονότων ZZ πραγματοποιήθηκε με τα PowhegBox και gg2VV, τα αποτελέσματα των οποίων συγκρίθηκαν με το MCFM που χρησιμοποιούνταν σε προγενέστερες αναλύσεις. Οι μετρήσεις της ενεργού διατομής, τόσο της ολικής όσο και συναρτήσει κάποιων επιμέρους χαρακτηριστικών των γεγονότων συγκρίνονται με τις προβλέψεις των θεωρητικών μοντέλων. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων βρίσκονται σε συμφωνία με τις θεωρητικές προβλέψεις, με τη συμφωνία για την παραγωγή του ζεύγους ZZ να είναι μεγαλύτερη από τη συμφωνία του ζεύγους W±Z. Το δεύτερο αντικείμενο της διατριβής αφορά την ενσωμάτωση του Fast TracKer (FTK) στο σύστημα σκανδαλισμού (δηλαδή το σύστημα επιλογής γεγονότων σε πραγματικό χρόνο) του ανιχνευτή ATLAS ώστε το πείραμα να μπορεί να επιλέγει προς καταγραφή “ενδιαφέροντα” γεγονότα από συγκρούσεις πρωτονίων με μεγαλύτερη απόδοση συγκριτικά με το τωρινό σύστημα. Το FTK είναι ένα πολύπλοκο ηλεκτρονικό σύστημα το οποίο υπολογίζει τις πέντε βασικές παραμέτρους των τροχιών των φορτισμένων σωματιδίων που παράγονται από τις συγκρούσεις των πρωτονίων στο εσωτερικό του ανιχνευτή. Οι τροχιές που υπολογίζονται θα παρέχονται στο σύστημα σκανδαλισμού υψηλού επιπέδου αυξάνοντας την αποδοτικότητά του σε γεγονότα αυξημένης πολυπλοκότητας.Η διατριβή αυτή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη του λογισμικού για την ακριβή περιγραφή του πρώτου συστήματος του FTK, την πλακέτα εισόδου FTK_IM (FTK Input Mezzanine), η οποία είναι υπεύθυνη για τη συσταδοποίηση των εικονοστοιχείων στα οποία έχει εναποτεθεί φορτίο από το διαπερνών σωματίδιο. Συγκεκριμένα, εντοπίζονται τα γειτονικά εικονοστοιχεία με εναποτεθέν φορτίο τα οποία συγκροτούν συστάδες και υπολογίζεται το κέντρο βάρους της κάθε συστάδας. Το κεντροειδές μιας συστάδας υποδηλώνει το σημείο διέλευσης ενός σωματιδίου από το επίπεδο του ανιχνευτή. Η αναπτυχθείσα υλοποίηση χρησιμοποιεί ένα μετακινούμενο δισδιάστατο παράθυρο ανίχνευσης και πραγματοποιεί τη συσταδοποίηση μόνο στο εσωτερικό του παραθύρου, ενώ δεν παίρνει υπ’ όψιν της το φορτίο που έχει εναποτεθεί σε κάθε εικονοστοιχείο. Η περιγραφή στο λογισμικό έγινε σε επίπεδο ακρίβειας ενός bit σε σχέση με την ανάπτυξη του συστήματος σε υλικό (hardware). Αυτός ο τρόπος υπολογισμού του κεντροειδούς είναι απλοποιημένος σε σχέση με το τι θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί σε λογισμικό, αλλά επιλέχθηκε για να επιτευχθεί η αναγκαία ταχύτητα στην επεξεργασία της πληροφορίας που δίνει ο ανιχνευτής στο σύστημα FTK. Η διατριβή αυτή επίσης μελετάει την επίπτωση που έχει αυτή η απλούστευση στον υπολογισμό των παραμέτρων των τροχιών των σωματιδίων.Η μελέτη πραγματοποιήθηκε σε γεγονότα που περιέχουν από ένα μόνο μιόνιο, καθώς και σε περίπλοκα γεγονότα όπου παράγονται top και anti-top κουάρκ (tt̄) με 60 επικαλυπτόμενες συγκρούσεις πρωτονίων. Βρέθηκε ότι η απλοποιημένη αλλά ταχύτατη υλοποίηση στην εύρεση των κεντροειδών δίνει τροχιές με πολύ μικρές αποκλίσεις από τον πληρέστερο τρόπο υπολογισμού, και έτσι o απλοποιημένος υπολογισμός των κεντροειδών αποτελεί πλέον την προκαθορισμένη επιλογή για τη λειτουργία του FTK.Τέλος, η διατριβή ασχολείται με τη χρήση υποσυστημάτων του FTK σε εφαρμογές εκτός του τομέα φυσικής υψηλών ενεργειών. Συγκεκριμένα, το κύκλωμα Μνήμης Συσχέτισης (Associative Memory), το οποίο σχεδιάστηκε για χρήση στο FTK, χρησιμοποιήθηκε ως ο πυρήνας ενός συστήματος ικανό να πραγματοποιήσει επεξεργασία εικόνας σε πραγματικό χρόνο. Το σύστημα αυτό στηρίχθηκε στην ικανότητα του κυκλώματος Μνήμης Συσχέτισης να πραγματοποιεί αντιστοίχηση μοτίβων σε πραγματικό χρόνο με σκοπό την αναγνώριση των σημαντικότερων τμημάτων μιας εικόνας. Ο αλγόριθμος που επιλέχθηκε για τον ορισμό των σημαντικών μοτίβων βασίζεται σε ένα νευροφυσιολογικό μοντέλο της ανθρώπινης όρασης το οποίο πραγματοποιεί μείωση των δεδομένων κατά το πέρασμά τους από το οπτικό νεύρο. Εν συνεχεία, εξετάζεται η χρήση του συστήματος αυτού ως φίλτρο μαγνητικών τομογραφιών. Ο έλεγχος αυτός έδειξε την ικανότητα του συστήματος να επαυξήσει τα κύρια χαρακτηριστικά των τομογραφιών καθιστώντας ευκολότερη την ταχεία αναγνώριση του Αλτσχάιμερ και άλλων ασθενειών.