Observation of γγ → ττ in proton-proton collisions and limits on the anomalous electromagnetic moments of the τ lepton

The production of a pair of τ leptons via photon–photon fusion, γγ → ττ, is observed for the f irst time in proton–proton collisions, with a significance of 5.3 standard deviations. This observation is based on a data set recorded with the CMS detector at the LHC at a center-of-mass energy of 13 TeV and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. Events with a pair of τ leptons produced via photon–photon fusion are selected by requiring them to be back-to-back in the azimuthal direction and to have a minimum number of charged hadrons associated with their production vertex. The τ leptons are reconstructed in their leptonic and hadronic decay modes. The measured fiducial cross section of γγ → ττ is σfid obs = 12.4+3.8 −3.1 fb. Constraints are set on the contributions to the anomalous magnetic moment (aτ) and electric dipole moments (dτ) of the τ lepton originating from potential effects of new physics on the γττ vertex: aτ = 0.0009+0.0032 −0.0031 and |dτ| < 2.9×10−17ecm (95% confidence level), consistent with the standard model

Characterization of silicon detectors for the phase 2 upgrade of the CMS experiment of LHC

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Φυσική και Τεχνολογικές Εφαρμογές

Ανιχνευτές πυριτίου για την αναβάθμιση των πειραμάτων στο HL-LHC

The Large Hadron Collider (LHC) at the European Nuclear Research Council in Geneva is scheduled to undergo a major luminosity upgrade after its ten-year lifespan to maximize its potential for scientific discovery. The Compact Muon Solenoid is one of two large general-purpose detectors that contributed to the recent discovery of the Higgs boson and many other physics results in particle physics. Its innermost part is called the Tracker, and it is a high-precision instrument that measures the trajectories of the created particles. It consists of silicon detectors with high spatial resolution and high-speed capabilities. With a total area of more than 200 square meters, it is the largest detector of its kind ever built. The increase in instantaneous luminosity in the upgraded LHC will lead to a very high increased track density at the interaction points of the colliding beams and, thus, also to a much more hostile radiation environment. Consequently, a major upgrade and redesign of the sensors and readout electronics are required. The upgrades will be done in 2 phases, and the upgraded LHC is expected to be fully operational in 2026. In Phase 2, there will be major changes to the Inner Pixel Detector and the Outer Tracking system with new detector units. CMS has developed a quality assurance plan to ensure that all sensors meet technical specifications and monitor their manufacturing process and manufacturing stability. The PQC contacts custom-made test structures produced on the same wafer as the silicon sensors that will be installed in the CMS experiment, so they share the same properties and materials. These test structures provide access to key parameters related to sensor manufacturing quality, including parameters not directly accessible to the sensors, and, together with sensor quality control, are the main processes of the Outer Tracker sensor quality assurance plan for the Phase-2 upgrade. This thesis describes the quality control process and the extraction procedure of the relevant parameters. The first results from the production phase are also presented. In addition to experimental measurements, simulations are integral to confirm the results. Numerical simulation of semiconductor devices' manufacturing process and electrical characteristics offers a fast and inexpensive way to check device designs and manufacturing processes. Simulations are crucial for device structure optimization and detector development. Various test structures related to PQC were simulated using the TCAD (Technology Computer-Aided Design) Sentaurus suite and compared with experimental results. Also, this work includes simulations of silicon sensor capacitances using TCAD simulations as well as a program that solves the 2D, and 3D Laplace equation developed at the Detector Instrumentation laboratory of NCSR Demokritos. In addition, extensive radiation testing is required to evaluate the radiation resistance of the sensors. In the upgraded Outer Tracker of the CMS experiment, the expected radiation dose will be from 10 to 750 kGy, depending on the distance from the beam. This thesis presents radiation studies on test structures with gamma photons from a Cobalt-60 source, complementary to already performed X-ray and particle radiation studies.Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο ευρωπαϊκό οργανισμό πυρηνικών ερευνών στη Γενεύη έχει προγραμματιστεί να υποβληθεί σε σημαντική αναβάθμιση φωτεινότητας μετά τη διάρκεια ζωής των δέκα ετών λειτουργίας του, προκειμένου να μεγιστοποιήσει το δυναμικό επιστημονικής ανακάλυψης. Το Compact Muon Solenoid είναι ένας από τους δύο μεγάλους ανιχνευτές γενικού σκοπού που συνέβαλε στην πρόσφατη ανακάλυψη του μποζονίου Higgs και πολλών άλλων αποτελεσμάτων της φυσικής στη σωματιδιακή φυσική. Το πιο εσωτερικό μέρος του ονομάζεται Tracker και είναι όργανο υψηλής ακρίβειας που μετρά τις τροχιές των δημιουργούμενων σωματιδίων. Αποτελείται από ανιχνευτές πυριτίου με υψηλή χωρική ανάλυση και δυνατότητες υψηλής ταχύτητας. Με συνολική επιφάνεια άνω των 200 τετραγωνικών μέτρων, είναι ο μεγαλύτερος ανιχνευτής αυτού του είδους που κατασκευάστηκε ποτέ. Η αύξηση της φωτεινότητας στον αναβαθμισμένο LHC θα οδηγήσει σε αυξημένη πυκνότητα τροχιάς στα σημεία αλληλεπίδρασης των συγκρουόμενων δεσμών και, ως εκ τούτου, σε ένα πολύ πιο απαιτητικό περιβάλλον ακτινοβολίας. Κατά συνέπεια, απαιτείται σημαντική αναβάθμιση και επανασχεδιασμό των αισθητήρων και των ηλεκτρονικών ανάγνωσης. Οι αναβαθμίσεις θα γίνουν σε 2 φάσεις και ο αναβαθμισμένος LHC αναμένεται να είναι πλήρως λειτουργικός το 2026. Στη Φάση 2, θα υπάρξουν σημαντικές αλλαγές στον Inner Pixel Detector και στο Outer Tracking σύστημα με νέες ανιχνευτικές μονάδες.Το CMS έχει αναπτύξει ένα σχέδιο διασφάλισης ποιότητας για να εξασφαλίσει ότι όλοι οι αισθητήρες πληρούν τις τεχνικές προδιαγραφές και να για να παρακολουθεί τη διαδικασία παραγωγής και τη σταθερότητα κατασκευής τους. Το PQC έρχεται σε επαφή με ειδικά κατασκευασμένες τεστ δομές που παράγονται στο ίδιο wafer με τους αισθητήρες πυριτίου που θα εγκαταστάθηκαν στο πείραμα CMS, με αποτέλεσμα να μοιράζονται τις ίδιες ιδιότητες και υλικά. Αυτές οι τεστ δομές παρέχουν πρόσβαση σε βασικές παραμέτρους σχετικά με την ποιότητα κατασκευής των αισθητήρων, συμπεριλαμβανομένων των παραμέτρων που δεν είναι άμεσα προσβάσιμες στους αισθητήρες και, μαζί με τον ποιοτικό έλεγχο των αισθητήρων, αποτελούν τις κύριες διαδικασίες του σχεδίου διασφάλισης ποιότητας των αισθητήρων του Outer Tracker για την αναβάθμιση Phase-2. Στην εργασία αυτή περιγράφεται η διαδικασία ποιοτικού ελέγχου και η διαδικασία εξαγωγής των σχετικών παραμέτρων. Παρουσιάζονται επίσης τα πρώτα αποτελέσματα από τη φάση παραγωγής.Εκτός από τις πειραματικές μετρήσεις, οι προσομοιώσεις είναι αναπόσπαστο κομμάτι για την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων. Η αριθμητική προσομοίωση της διαδικασίας κατασκευής και των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των συσκευών ημιαγωγών προσφέρει έναν γρήγορο και μη δαπανηρό τρόπο ελέγχου των σχεδίων και των διαδικασιών κατασκευής των συσκευών. Οι προσομοιώσεις είναι ζωτικής σημασίας για τη βελτιστοποίηση της δομής της συσκευής και την ανάπτυξη ανιχνευτών. Διάφορες δομές δοκιμής που σχετίζονται με το PQC προσομοιώθηκαν χρησιμοποιώντας τη σουίτα TCAD (Technology Computer-Aided Design) Sentaurus και συγκρίθηκαν με πειραματικά αποτελέσματα. Επιπλέον, αυτή η εργασία περιλαμβάνει προσομοιώσεις χωρητικοτήτων αισθητήρων πυριτίου χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις TCAD καθώς και ένα πρόγραμμα το οποίο λύνει τη δισδιάστατη και τρισδιάστατη εξίσωση Laplace που αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Οργάνων Ανιχνευτών του ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος.Εκτός από τον ποιοτικό έλεγχο των δομών δοκιμής, απαιτούνται εκτενείς δοκιμές ακτινοβολίας για την αξιολόγηση της αντοχής στην ακτινοβολίας των αισθητήρων. Στο αναβαθμισμένο Outer Tracker του πειράματος CMS, η αναμενόμενη δόση ακτινοβολίας θα είναι από 10 έως 750 kGy, ανάλογα με την απόσταση από τη δέσμη. Αυτή η εργασία παρουσιάζει μελέτες ακτινοβολίας σε δοκιμαστικές δομές με φωτόνια γάμμα από μια πηγή Cobalt-60, συμπληρωματικές σε ήδη πραγματοποιηθείσες μελέτες ακτινοβολίας ακτίνων Χ και σωματιδίων

Cobalt-60 gamma irradiation of silicon test structures for high-luminosity collider experiments

During the era of the High Luminosity LHC (HL-LHC) the devices in the experiments will be subjected to increased radiation levels with fluxes of neutrons and charged hadrons in the inner detectors reaching up to approximately $\mathrm{2.3\times10^{16}\:n_{eq}/cm^2}$ and total ionization doses up to around 1.2 Grad. A systematic program of radiation tests with neutrons and charged hadrons is being carried out by the CMS and ATLAS Collaborations in order to cope with the higher luminosity of HL-LHC and the associated increase in the pile-up events and radiation fluxes. In this work, results from a complementary radiation study with $^{60}$Co-\upgamma photons are presented. The doses are equivalent to those that the outer layers of the silicon tracker systems of the two experiments will be subjected to. The devices in this study are p-type diodes and MOS capacitors

Beam Test Performance of Prototype Silicon Detectors for the Outer Tracker for the Phase-2 Upgrade of CMS

A new CMS tracker detector will be installed for operation at the High Luminosity LHC\,(HL-LHC). This detector comprises modules with two closely spaced parallel sensor plates and front-end ASICs capable of transmitting tracking information to the CMS Level-1\,(L1) trigger at the 40\,MHz beam crossing rate. The inclusion of tracking information in the L1 trigger decision will be essential for selecting events of interest efficiently at the HL-LHC. The CMS Binary Chip\,(CBC) has been designed to read out and correlate hits from pairs of tracker sensors, forming so-called track stubs. For the first time, a prototype irradiated module and a full-sized module, both equipped with the version 2 of the CBC, have been operated in test beam facilities. The efficiency of the stub finding logic of the modules for various angles of incidence has been studied. The ability of the modules to reject tracks with transverse momentum less than $2~\mathrm{GeV}$ has been demonstrated. For modules built with irradiated sensors, no significant drop in the stub finding performance has been observed. Results from the beam tests are described in this paper

Evidence for the Higgs Boson Decay to a <math display="inline"><mi>Z</mi></math> Boson and a Photon at the LHC

The first evidence for the Higgs boson decay to a Z boson and a photon is presented, with a statistical significance of 3.4 standard deviations. The result is derived from a combined analysis of the searches performed by the ATLAS and CMS Collaborations with proton-proton collision datasets collected at the CERN Large Hadron Collider (LHC) from 2015 to 2018. These correspond to integrated luminosities of around 140  fb-1 for each experiment, at a center-of-mass energy of 13 TeV. The measured signal yield is 2.2±0.7 times the standard model prediction, and agrees with the theoretical expectation within 1.9 standard deviations

Evaluation of planar silicon pixel sensors with the RD53A readout chip for the Phase-2 Upgrade of the CMS Inner Tracker

The Large Hadron Collider at CERN will undergo an upgrade inorder to increase its luminosity to7.5 × 10$^{34}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$. The increased luminosityduring this High-Luminosity running phase, starting around 2029,means a higher rate of proton-proton interactions, hence a largerionizing dose and particle fluence for the detectors. The currenttracking system of the CMS experiment will be fully replaced inorder to cope with the new operating conditions. Prototype planarpixel sensors for the CMS Inner Tracker with square50 μm × 50 μm and rectangular100 μm × 25 μm pixels read out by theRD53A chip were characterized in the lab and at the DESY-II testbeamfacility in order to identify designs that meet the requirements ofCMS during the High-Luminosity running phase. A spatial resolutionof approximately 3.4 μm (2 μm) is obtained using themodules with 50 μm × 50 μm(100 μm × 25 μm) pixels at the optimalangle of incidence before irradiation. After irradiation to a 1 MeVneutron equivalent fluence ofΦ$_{eq}$ = 5.3 × 10$^{15}$ cm$^{-2}$, a resolution of9.4 μm is achieved at a bias voltage of 800 V using a modulewith 50 μm × 50 μm pixel size. All modulesretain a hit efficiency in excess of 99% after irradiation tofluences up to 2.1 × 10$^{16}$ cm$^{-2}$. Further studies ofthe electrical properties of the modules, especially crosstalk, arealso presented in this paper

Two-particle Bose-Einstein correlations and their Lévy parameters in PbPb collisions at <math><mrow><msqrt><msub><mi>s</mi><mrow><mi>N</mi><mi>N</mi></mrow></msub></msqrt><mo>=</mo><mn>5.02</mn></mrow></math> TeV

Two-particle Bose–Einstein momentum correlation functions are studied for charged-hadron pairs in lead-lead collisions at a center-of-mass energy per nucleon pair of sNN=5.02TeV. The data sample, containing 4.27×109 minimum bias events corresponding to an integrated luminosity of 0.607 nb−1, was collected by the CMS experiment in 2018. The experimental results are discussed in terms of a Lévy-type source distribution. The parameters of this distribution are extracted as functions of particle pair average transverse mass and collision centrality. These parameters include the Lévy index or shape parameter α, the Lévy scale parameter R, and the correlation strength parameter λ. The source shape, characterized by α, is found to be neither Cauchy nor Gaussian, implying the need for a full Lévy analysis. Similarly to what was previously found for systems characterized by Gaussian source radii, a hydrodynamical scaling is observed for the Lévy R parameter. The λ parameter is studied in terms of the core-halo model