Thesis:

Modern detectors to study the Standard Model and beyond

La necesidad de pruebas experimentales de física más allá del Modelo Estándar (SM) y de teorías relacionadas con la materia oscura nos lleva al desarrollo de nuevos detectores para experimentos de alta energía y alta luminosidad. En este contexto, ATLAS, con su actualización del sistema de muones (en particular el proyecto New Small Wheel), es un ejemplo de nueva tecnología de detectores diseñada para el LHC de Alta Luminosidad (HL-LHC). Un gran desafío se presenta para los detectores gaseosos convencionales utilizados en el seguimiento y disparo de muones. Las condiciones de alta tasa de eventos que prevalecerán en el HL-LHC exigirán que los detectores cumplan requisitos estrictos en cuanto a resolución temporal y espacial. Un experimento de búsqueda de materia oscura, llamado NA64 y ubicado en una de las líneas de salida de las instalaciones del Super Proton Synchrotron (SPS) en el CERN, proporciona otro ejemplo de la necesidad de una nueva generación de detectores. NA64 busca específicamente materia oscura a través de decaimientos invisibles o visibles de fotones oscuros (dark photons). Tal detección requiere una comprensión detallada de cada evento individual y un haz de electrones altamente puro. Para estos dos experimentos, un equipo del Departamento de Física de la Universidad Técnica Federico Santa María (USM) ha construido dos detectores: una cámara de pequeñas franjas tipo Thin Gap Chamber (sTGC) y un calorímetro compacto con cristales centelladores rápidos de LYSO. En esta tesis se presenta, en primer lugar, el novedoso detector gaseoso sTGC y su método de construcción. Se muestra una medición de la uniformidad de ganancia, así como su estabilidad en condiciones de alta tasa de eventos. Estas dos pruebas se presentan como parte del control de calidad tras la construcción del Módulo 0 del sTGC. Se realizaron dos pruebas de haz para estudiar la resolución espacial de las franjas de 3.2 mm y el desempeño temporal de las almohadillas (pads). Ambas son características nuevas destinadas a proporcionar un disparo rápido para la Región de Interés. En la segunda parte, nos centramos en estudios de espectroscopía realizados en la nueva Instalación de Irradiación Gamma (GIF++) del CERN. Se muestra un método de identificación de picos utilizando Wavelets, así como un algoritmo rápido para reconstrucción de eventos superpuestos (pile-up). Se presentan espectros de diferentes filtros de atenuación de GIF++ con los factores de atenuación estimados. En el último capítulo, presentamos una técnica de identificación de partículas como solución a la contaminación del haz en el experimento NA64. Se ofrece una breve explicación de las mediciones relacionadas con los fotones oscuros. A continuación, se muestran resultados del nivel de supresión de hadrones con diferentes detectores utilizando radiación de sincrotrón como técnica de identificación de partículas. Finalmente, se presentan las primeras mediciones de decaimientos invisibles de fotones oscuros, donde hasta ahora no se ha encontrado interacción tipo dark photonstrahlung en los 10⁹ eventos analizados sobre el blanco.

The needs for experimental proof of physics beyond the Standard Model (SM) andthe Dark Matter theories leads us to develop new detectors for high energy and highluminosity experiments. In this context, ATLAS with the muon upgrade (New SmallWheel project in particular) is an example of new detector technology designed for theHigh Luminosity LHC (HL-LHC). A big challenge is imposed on the conventional gaseousdetectors used for muon tracking and triggering. The high rate environment conditionsprevailing in HL-LHC will push the detectors to ful ll stringent requirements in terms oftime and spatial resolution.A search for Dark Matter experiment, called NA64 and located in one of the exit linesfrom the Super Proton Synchrotron (SPS) facilities at CERN, provides another exampleof the need for a new generation of detectors. The NA64 is looking speci cally for DarkMatter on invisible or visible decays of dark photons. Such detection requires a delicateunderstanding of every single event and a highly pure electron beam. For these two experiments, a team from the Physics Department of the UniversidadSanta Maria (USM) has built two detectors; a small-Strip Thin Gap Chamber (sTGC)and a compact calorimeter with fast scintillator crystals LYSO.In this dissertation, we rst present the novel gaseous detector sTGC and the constructionmethod. A gain uniformity measurement is shown as well as its stability under ahigh rate environment condition. These two tests are presented as a quality control afterthe sTGC Module 0 is built. Two beam tests are carried out to study spatial resolutionof the 3:2mm strips and pad timing performance. Both are new features to provide fasttrigger for the Region of Interest.In the second part, we focus on spectroscopy studies on the new Gamma IrradiationFacility (GIF++) at CERN. A method of peak identi cation using Wavelets is shownas well as fast algorithm to reconstruct pile-up events. Spectra of dierent attenuation lters from GIF++ are shown with estimated attenuation factors.In the last chapter, we present a particle identi cation technique as a solution to thebeam contamination in the NA64 experiment. A brief explanation of the dark photonmeasurements is shown. Afterwards we show results of hadron suppression level fromdierent detectors using synchrotron radiation as particle identi cation technique. Lastlywe show the rst measurements of dark photon invisible decays where no dark photonstrahlunginteraction is found so far with 109 events on target.