A Level 1 Tracking Trigger for the CMS Experiment at the LHC Phase 2 Luminosity Upgrade

Durante il secondo decennio di operazioni al Large Hadron Collider, a partire dall'anno 2020, è previsto un notevole aumento della luminosità istantanea del collisionatore, di un ordine di grandezza superiore rispetto a quella di progetto. Questa luminosità presenta numeose sfide per gli esperimenti a LHC. Il Tracciatore attualmente impiegato nell'esperimento Compact Muon Solenoid dovrà essere rimpiazzato con un sistema in grado di garantire una tracciatura di qualità eccellente ad alte luminosità e, allo stesso tempo, fornire informazioni utili per l'attuale "Livello 0" del sistema di Trigger a CMS, alla frequenza di collisioni di 40 MHz. Le richieste minime per un Trigger basato sul Tracciatore sono la capacità di confermare la presenza di tracce ad alto pT associate a Trigger di Livello 0 ottenuti con i Calorimetri o i rivelatori di muoni. La capacità di fornire criteri efficaci di isolazione può essere ulteriormente richiesa e in ogni caso migliorerebbe significativamente le prestazioni del Trigger. Il rateo dei dati associati con la generazione nel Tracciatore di informazione di Trigger può essere mantenuto in una larghezza di banda sufficientemente maneggevole richiedendo che i moduli sensitivi siano in grado di ridurre localmente i dati. I principali candidati per una simile riduzione locale del rateo i dati sono caratterizzati dalla capacità di fornire la direzione della traccia nel piano trasverso, oltre alla sua posizione, da cui poter dedurre la quantità di moto della traccia stessa. Questi "pT-modules" trasmetterebbero di conseguenza al Trigger di primo livello degli abbozzi di traccia ("stub") generati da particelle con pT al di sopra di 2 GeV/c. La scelta di una simile soglia permetterebbe la riduzione dei dati di un fattore superiore a 10, consentendo quindi un rateo facilmente tollerabile. I moduli di Trigger possono essere realizzati con due sensori di silicio paralleli leggermente separati, caratterizzati da una risoluzione sulla misura del singolo punto d'impatto tale che gli stub, ottenuti tramite correlazione tra i punti misurati nel modulo, possano fornire un'adeguata misura della direzione della traccia, nonostante il braccio di leva sia dell'ordine del millimetro. Un'ipotetica configurazione per il Tracciatore, composto da "lunghi barili", che prevede un Tracciatore esterno realizzato totalmente con moduli di Trigger, è stata proposta. Essa è particolarmente flessibile negli studi di simulazione per il Trigger realizzato con il Tracciatore giacché consente di combinare tra loro, tramite proiezioni geometriche, le informazioni provenienti da diversi strati del Tracciatore. Pertanto è un campo di prova per confrontare le prestazioni di diverse concezioni e diverse configurazioni. Il Tracciatore proposto permette anche la generazione di oggetti più articolati degli stub per il Trigger, come ad esempio le "tracklet", che consistono in coppie di stub opportunamente associate tra loro, le quali possono a loro volta essere usate come punto di partenza per la costruzione di Tracce di Primo Livello. La scelta di moduli di Trigger realizzati con sensori accoppiati è rafforzata da risultati recenti ottenuti con dei prototipi innovativi di rivelatori a Pixel Monolitici durante dei test sotto fascio riportati in questa tesi. Lo sviluppo di simulazioni per un Trigger con il Tracciatore è anch'esso presentato come un significativo progresso verso la progettazione di un nuovo Tracciatore realistico e capace di fornire informazioni utili per il Trigger. Particolarmente impegnativo è lo sforzo per un Trigger che selezioni i leptoni tau prodotti in numerosi processi rari di interesse per gli esperimenti a LHC. Le prestazioni di un Trigger con il Tracciatore su stati finali contenenti leptoni tau saranno fondamentali a luminosità molto elevate e sono illustrate alla fine di questo documento, come naturale prosecuzione del lavoro descritto.