Production of the new pixel detector for the upgrade of the CMS experiment and study of anomalous couplings in the non-resonant Higgs bosons pair production in p-p collisions at sqrt(s) = 13 TeV

Questo lavoro di tesi è stato svolto nell'ambito della collaborazione CMS, uno degli esperimenti progettati per studiare la fisica delle collisioni protone-protone al Large Hadron Collider (LHC) presso il CERN. La sperimentazione a CMS (ed a ATLAS) ha portato nel 2012 alla scoperta di una nuova particella che è stata in seguito identificata come il bosone di Higgs, l'ultimo tassello mancante dello Standard Model delle interazioni fondamentali. Tutti gli esperimenti a LHC sono in una fase di miglioramento degli apparati in vista del continuo aumento di luminosità di LHC e del conseguente aumento del rate di eventi per collisione. Il progetto di upgrade di CMS prevede tra l'altro la produzione di un nuovo rivelatore a pixel (CMS Phase 1 Pixel Upgrade) da inserire nell'apparato all'inizio del 2017. Parte cruciale dell'upgrade è il nuovo chip di lettura (ROC) dei sensori al silicio, psi46digV2respin, disegnato al Paul Scherrer Institute (PSI) in tecnologia CMOS 250 nm. Tale chip rappresenta lo stato dell'arte nell'elettronica di lettura di rivelatori al silicio. La tesi riguarda lo studio e lo sviluppo di procedure di test di questo nuovo chip di lettura. Grazie ad una lunga permanenza al PSI ho potuto fornire un importante contributo alle fasi di debug delle prime versioni del ROC e del TBM, il chip che gestisce i diversi ROCs all'interno di un pixel module, ed allo sviluppo del software utilizzato da tutta la collaborazione per il test del ROC e dei moduli. Questa esperienza mi ha permesso essere l'esperto per l'installazione e messa a punto dei sistemi di lettura dei ROC nei centri di produzione di moduli in Italia. Inoltre ho gestito il test dei ROC wafers fin dalle prime fasi di sviluppo del progetto. I ROC sono prodotti su wafers di silicio e subiscono diversi processi di lavorazione prima dell'assemblaggio sui moduli, e.g., la deposizione di metalli sulle pixel pads, l'assottigliamento ed il taglio. Queste lavorazioni comportano stress meccanici e termici che possono danneggiare i chips. Il test dei ROC wafers è stato quindi effettuato, con la stessa procedura, prima e dopo la lavorazione per ridurre al minimo la frazione di ROCs non funzionanti montati sui moduli. Si è misurato che la lavorazione dei wafers introduce una riduzione del 5.2 % del numero di ROCs perfettamente funzionanti. Nella tesi sono riportati la catena di produzione del rivelatore a pixel, il processo di qualifica dei moduli ed il dettaglio dei test su ROC wafers. Vengono inoltre descritte le modifiche apportate alla tecnologia utilizzata per la connessione ROC-sensore. L'installazione del nuovo rivelatore a pixel permetterà di aumentare l'efficienza di ricostruzione delle tracce e di mantenere una risoluzione di 10-15 um nella ricostruzione dei vertici d'interazione anche all'aumentare del numero medio di eventi per interazione p-p dagli attuali 15 a 50-60 nel 2017. Le ottime prestazioni del nuovo rivelatore di vertice a pixel sommate al previsto aumento di luminosità (un fattore 35 tra il valore attuale e quello previsto per il 2017) potranno dare accesso a processi fisici con bassa sezione d'urto ed alto numero di b quarks negli stati finali. Viene a tal fine presentato uno studio preliminare della produzione non risonante di coppie di bosoni di Higgs nel canale di decadimento completamente adronico (bbbb) analizzando i dati raccolti dall'esperimento CMS nel 2015, pari a 2.19 fb-1. Questo processo presenta una ridotta sezione d'urto, secondo il Modello Standard, e la sua misura in collisioni p-p ad energie del centro di massa di 13-14 TeV è prevista solo con un'elevata quantità di dati (ab-1). I dati raccolti nel 2015 non permettono di ottenere un limite ragionevole sulla sezione d'urto di produzione di tale processo e l'analisi verrà sviluppata pienamente nel 2016 e nei successivi anni. Lo studio della produzione di coppie di bosoni di Higgs è rilevante poiché esse possono essere prodotte anche in seguito ad accoppiamenti non previsti dal Modello Standard (anomali), come l'interazione di contatto tra bosoni di Higgs e gluoni. Tali accoppiamenti anomali danno luogo ad un incremento della sezione d'urto del processo e ad una differente cinematica degli stati finali. Il processo di produzione di coppie di bosoni di Higgs per mezzo di accoppiamenti anomali è descritto da una Lagrangiana con cinque parametri liberi. Questo comporta una difficoltà nell'individuare i punti dello spazio dei parametri da indagare sperimentalmente. Ho sviluppato una tecnica di analisi che permette, attraverso lo studio di campioni simulati, di suddividere tale spazio in regioni cinematicamente simili ed identificare per ognuna di esse il punto maggiormente significativo. La distanza tra i diversi punti dello spazio dei parametri è stata definita tramite un ”binned likelihood ratio” ed un algoritmo iterativo è stato sviluppato per raggruppare tali punti. Sono state quindi individuate dodici regioni cinematicamente simili in uno spazio 5-D. I risultati di tale studio, descritti in questa tesi, sono raccolti in un articolo in fase di pubblicazione su JHEP e verranno considerati come linee guida per le ricerche di produzione non risonante di coppie di bosoni di Higgs a CMS.