Detectors developments for the UA9 experiment at the CERN SPS
Développement de détecteurs pour l'expérience UA9 au CERN SPS
Résumé
The research work documented in this thesis is done in a frame of the UA9 Collaboration at CERN. The main goal of the collaboration is the investigation of the high-energy particle beam collimation and extraction. The thesis is mainly devoted to the developments of detectors and the consequent experimental setups implemented at the SPS or LHC circulating machines at CERN. Regarding the nature of the charged particle interaction with a monocrystalline structure, a curved crystal can be used for the steering of the high-energy particle beam by means of the particle channeling between atomic planes of the crystal. Such a phenomenon is intensively studied by the UA9 Collaboration. Therefore, one of the main goals of the presented research is to develop sensitive devices for measuring the flux and the beam characteristics of the particles deflected by the crystal at the circulating machines. The detectors studied for this thesis are Cherenkov (CpFM) and pixel (Timepix). Since 2015, the CpFM (Cherenkov detector for proton Flux Measurement) has undergone various modifications to improve the particle counting characteristics. The range of the device operation varies from 1 to 1000 particles per bunch (~3 ns) with the particle resolution of less than 20% per single proton. Working in the primary vacuum of the accelerator and at high radiation doses, the detector showed high stability with the possibility to perform beam contamination studies. In turn, the Timepix detector has been calibrated at the extraction beamline and SPS accelerator, working in the secondary vacuum of the Roman Pot. A significant part of the thesis is devoted to the characterization and calibration of these detectors with the software developments for data acquisition and analysis. In this thesis, we also make a proposal for the measurement of the magnetic dipole moment (MDM) of short-lived baryons. The MDM is an important characteristic of the particle interaction with an external magnetic field. For the thesis, we concentrate on the measurement of the LambdaC+ MDM, which could provide information on the gyromagnetic (g) factor of the charm quark. Any discrepancy from g=2 will indicate a possible composite structure of the c-quark and clearly physics beyond the Standard Model (SM). So far, no experimental measurements of this value of baryons with heavy flavoured quarks have been carried out due to a short decay length of these particles (about 60 um). The proposal made in this thesis is to produce charm baryons by a strong interaction of the extracted proton beam (using a first bent crystal) impinging onto a target followed by the second large angle bent crystal (of several mrad) to channel the baryons and to rotate their polarization vector. This configuration is called a double-crystal setup and the experiment is proposed to take place at the LHC. In this thesis, I concentrate mainly on all the tests and validation needed at the SPS prior to the implementation at the LHC. A possible experimental configuration for the MDM measurements at the SPS is also proposed with an estimation of the absolute error of the measured g-factor value for the LambdaC+ baryon.
Les travaux de recherche documentés dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre de la Collaboration UA9 au CERN. L'objectif principal de la collaboration est l'étude de la collimation et de l'extraction de faisceaux de particules de haute énergie. La thèse est principalement consacrée au développement des détecteurs et aux installations expérimentales correspondantes qui ont été mises en œuvre au SPS et au LHC au CERN. En ce qui concerne la nature de l'interaction des particules chargées avec une structure monocristalline, un cristal courbé peut être utilisé pour orienter le faisceau de particules de haute énergie au moyen de la canalisation de particules entre les plans atomiques du cristal. Un tel phénomène est étudié de manière approfondie par la Collaboration UA9. Un des principaux objectifs de la recherche présentée dans cette thèse est de développer des dispositifs sensibles pour mesurer le flux et les caractéristiques de faisceau des particules déviées par le cristal au SPS et au LHC. Pour cette thèse nous avons étudié les détecteurs Cherenkov (CpFM) et les détecteurs à pixel (Timepix). Depuis 2015, le CpFM (détecteur de Cherenkov pour la mesure du flux de protons) a été souvent modifié afin d'améliorer la précision pour le comptage des particules. La plage de fonctionnement du dispositif varie de 1 à 1000 particules par faisceau de particules (~3 ns) avec une résolution inférieure à 20% par proton. Fonctionnant dans le vide primaire de l’accélérateur et à des doses de rayonnement élevées, le détecteur a montré une grande stabilité et ayant la possibilité d’effectuer des études de contamination par faisceau. À son tour, le détecteur Timepix a été étalonné sur la ligne de faisceaux d'extraction de l'accélérateur SPS, fonctionnant dans le vide secondaire (Roman Pot). Une partie importante de la thèse est consacrée à la caractérisation et à l'étalonnage de ces détecteurs avec les développements des logiciels pour l'acquisition et l'analyse de données. Dans cette thèse, nous proposons également la mesure du moment dipolaire magnétique (MDM) de baryons à courte durée de vie. Le MDM est une caractéristique importante de l'interaction des particules avec un champ magnétique externe. Pour cette thèse, nous nous concentrons sur la mesure le MDM du baryon LambdaC+, qui pourrait fournir des informations sur le facteur gyromagnétique (g) du quark charme. Une valeur différente de g=2 indiquera une structure composite possible du c-quark et clairement la présence de physique au-delà du Modèle Standard (SM). Jusqu'ici, aucune mesure expérimentale du moment dipolaire magnétique des baryons avec des quarks lourds n'a été effectuée en raison d'une courte durée de désintégration de ces particules (environ 60 um). La proposition faite dans cette thèse est de produire des baryons charmés par interaction forte entre les protons extraits (à l’aide d’un premier cristal courbé) et une cible. Après la cible, un deuxième cristal courbé à grand angle (de plusieurs mrad) est utilisé pour canaliser les baryons et induire une rotation du vecteur de polarisation des baryons charmés. Cette configuration s'appelle une configuration à double cristal et l'expérience est proposée au LHC. Dans cette thèse, je me suis concentré principalement sur tous les tests et la validation nécessaires au SPS avant la mise en œuvre au LHC. Une configuration expérimentale possible pour les mesures MDM au niveau du SPS est également proposée avec une estimation de l'erreur absolue de la valeur mesurée du facteur g pour le baryon LambdaC+.
Origine : Version validée par le jury (STAR)