Development of innovative instrumentation of new methods for selection and analysis of experimental data towards searching new physics at the High Luminosity Large Hadron Collider
Authors: Τσιάμης Άγγελος 
Published: November 2024

Το Καθιερωμένο Πρότυπο των σωματιδίων αποτελεί ένα από τα πιο θριαμβευτικά θεωρητικά πλαίσια της φυσικής, περιγράφοντας τα θεμελιώδη σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις τους μέσω τριών θεμελιωδών δυνάμεων: του ηλεκτρομαγνητισμού, της ασθενούς πυρηνικής δύναμης και της ισχυρής πυρηνικής δύναμης. Κατά τον τελευταίο αιώνα, έχουν διεξαχθεί πολυάριθμα πειράματα, τα οποία επιβεβαίωσαν άψογα τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου. Παρ' όλα αυτά, παρά την αξιοσημείωτη επιτυχία του, παραμένουν φαινόμενα που δεν εξηγούνται από το Καθιερωμένο Πρότυπο, όπως η απουσία της βαρύτητας, το μυστήριο της Σκοτεινής Ύλης και οι ταλαντώσεις μάζας των νετρίνων. Αυτή η ατέλεια υπογραμμίζει την ανάγκη για διάφορες θεωρητικές επεκτάσεις και σύνθετους πειραματικούς σχεδιασμούς για την εξήγηση αυτών των φαινομένων.Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC), που βρίσκεται στο CERN, στα σύνορα Γαλλίας-Ελβετίας κοντά στη Γενεύη, αποτελεί τον μεγαλύτερο και πιο ισχυρό επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο. Οι συγκρούσεις που λαμβάνουν χώρα σε αυτόν, ανιχνεύονται από πειράματα όπως το ATLAS, το CMS, το LHCb και το Alice, παράγοντας τεράστιες ποσότητες δεδομένων, που είναι κρίσιμα για την επιβεβαίωση των προβλέψεων του Καθιερωμένου Προτύπου. Η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs το 2012, επιβεβαιωμένη από τα ATLAS και CMS, αποτέλεσε ένα σημαντικό ορόσημο σε αυτή την προσπάθεια. Πριν από την ανακάλυψη του Higgs, η έμφαση δινόταν κυρίως στην κατανόηση διαφόρων φαινομένων του Καθιερωμένου Προτύπου, ιδίως στη θραύση της συμμετρίας της ηλεκτρασθενούς αλληλεπίδρασης, μέσω της μελέτης των μποζονίων W και Z, των φορέων της ασθενούς πυρηνικής δύναμης. Οι παραγωγές διμποζονίων, συγκεκριμένα, διαδραμάτισαν καθοριστικό ρόλο σε αυτή την αναζήτηση, βοηθώντας στην εξερεύνηση της θραύσης της ηλεκτρασθενούς συμμετρίας και στην αναζήτηση νέων φαινομένων Φυσικής σε αυξανόμενες ενεργειακές κλίμακες. Μετά την ανακάλυψη του Higgs, πραγματοποιήθηκαν αναβαθμίσεις που ενίσχυσαν την ενέργεια και τη φωτεινότητα των συγκρούσεων για να ερευνηθούν περαιτέρω φαινόμενα Νέας Φυσικής. Αυτό απαιτεί προηγμένα συστήματα ανιχνευτών, ικανά ηλεκτρονικά συστήματα και την ανάπτυξη αλγορίθμων συλλογής και επεξεργασίας δεδομένων. Αυτή η διατριβή αποτελείται από δύο κύρια μέρη. Το πρώτο μέρος επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μιας νέας τεχνικής χρονισμού για τον ανιχνευτή PICOSEC Micromegas, προσαρμοσμένης για ακριβείς μετρήσεις χρόνου σωματιδίων σε picosecond (βλ. Ενότητα 3). Διερευνώνται προσεγγίσεις που βασίζονται στη μηχανική μάθηση, ειδικότερα η χρήση Τεχνητών Νευρωνικών Δικτύων, για την απόκτηση ακριβών μετρήσεων χρόνου, αξιολογώντας την απόδοσή τους υπό διαφορετικά σενάρια. Στο δεύτερο μέρος, η προσοχή στρέφεται στην παραγωγή διμποζονίων, και ιδιαίτερα στην παραγωγή δύο μποζονίων Z που διασπώνται σε δύο λεπτόνια και δύο νετρίνα. Παρά το γεγονός ότι προσφέρει μεγαλύτερο κλάσμα διακλάδωσης σε σύγκριση με άλλα κανάλια, αυτή η συγκεκριμένη διαδικασία παρουσιάζει προκλήσεις λόγω της μη ανιχνευσιμότητας των δύο νετρίνων, οδηγώντας σε αυξημένη επιμόλυνση του υποβάθρου. Η ακριβής εκτίμηση των ενεργών διατομών παραγωγής για τις διαδικασίες τόσο της συνολικής παραγωγής όσο και της σκέδασης διανυσματικών μποζονίων (VBS) είναι ζωτικής σημασίας, καθώς οι αποκλίσεις από τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου θα μπορούσαν να υποδηλώνουν την ύπαρξη Νέας Φυσικής. Επιπλέον, η ακριβής μέτρηση αυτών των διατομών είναι κρίσιμη για άλλες αναλύσεις που αφορούν διαφορετικές διμποζονικές καταστάσεις και τις διαδικασίες του Higgs (βλ. Ενότητες 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, και 12). Συνολικά, αυτή η διατριβή εμβαθύνει τόσο στο πειραματικό όσο και στο θεωρητικό πεδίο, προσφέροντας προηγμένες τεχνικές ανιχνευτών και την εφαρμογή τους στην εξερεύνηση θεμελιωδών σωματιδίων και αλληλεπιδράσεων, ενώ παράλληλα συνεισφέρει στην αναζήτηση φαινομένων Νέας Φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο.