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

The present thesis work has been carried out in the framework of the CMS collaboration, one of the experiment designed to study the physics of the proton-proton collisions at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. Experimentation at CMS (and at ATLAS) led to the discovery of a new particle in 2012 which has been identified as the Higgs boson, the missing brick of the Standard Model of the fundamental interactions. All the experiments at LHC are upgrading their detectors in order to fulfill the continuous increment of the LHC luminosity and the consequent increment of the per collision event rate. The CMS upgrade project foresees, inter alia, the production of a new pixel detector (CMS Phase 1 Pixel Upgrade) to be commissioned at the beginning of 2017. Crucial part of the upgrade is the new readout chip (ROC) for the silicon sensor, psi46digV2respin, designed at the Paul Scherrer Institute (PSI) with a 250 nm CMOS technology. This chip represents the state of the art in the readout electronics for the silicon detectors. The thesis concerns the study and the development of test procedures for this new readout chip. Thanks to a long stay at PSI, I could provide an important contribution to the debug phases of the first version of the ROC and TBM, the chip that handles the various ROCs in the pixel module, and to the development of the software used by the whole collaboration for the ROC and module testing. This experience allowed me to be the expert for the installation and commissioning of the ROC readout system in all the production centres in Italy. Furthermore, I managed the ROC wafers test from the early project phases. The ROCs are produced on silicon wafers and undergo various processes before being assembled on the modules, e.g., metal deposition on the pixel pads, thinning and dicing. These processes lead mechanical and thermal stresses that can damage the chips. The ROC wafers test has thus been performed following the same procedure before and after the processing. In order to minimize the failing ROCs fraction mounted on the modules. It has been measured that the processing introduces a 5.2 % reduction of the number of perfectly working ROCs. The pixel detector production line, the module qualification process and the ROC wafers test results are reported in this thesis. The modifications performed on the ROC-sensor connection technology are also described. The new pixel detector installation will allow an increase of the tracks reconstruction efficiency and a 10-15 um resolution to be maintained in the interaction vertices reconstruction, independently from the increment of the mean number of events per p-p interaction from the current 15 to 50-60 in 2017. The excellent performances of the new pixel vertex detector plus the planned increment of the luminosity (a factor 35 between 2017 and the current value) could allow access to physical processes with a low cross section and a high number of b quarks in the final states. For this purpose, a preliminary study on the non-resonant Higgs bosons pair production in the fully hadronic decay channel bbbb is here presented. The study has been performed analysing the data collected by the CMS experiment in 2015, equal to 2.19 fb-1. This process has a low cross section, accordingly to the SM, and its measurement in p-p collision at centre of mass energies of 13-14 TeV is forecast only with a high amount of data (ab-1). The data collected in 2015 do not allow to set a reasonable exclusion limit on the cross section of this process and the analysis will be completely developed in 2016 and following years. The study of the Higgs bosons pair production is relevant because the pairs can be produced also after couplings which are not allowed by the Standard Model (anomalous), such as the higgs-gloun contact interaction. These anomalous couplings lead to an increment of the cross section of the process and to differences in the kinematics of the final states. The process of Higgs bosons pair production via anomalous couplings is described by a Lagrangian with five free parameters. This implies a difficulty in the identification of parameters space point to be experimentally investigated. I developed an analysis technique which allows, by studying simulated samples, to divide the parameters space in kinematically similar regions and to identify a benchmark in each of them. The distance among different points of the parameters space has been defined through a binned likelihood ratio and an iterative algorithm has been developed to group them together. Twelve regions which are kinematically equivalent have been identified in a 5-D space. The results of this study, described in this thesis, are collected in an article which is under publication on JHEP and they will be considered as guideline for the searches of non-resonant Higgs bosons pair production at CMS.

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.