Caratterizzazione di un prototipo di Micromegas di grande dimensione per l’aggiornamento New Small Wheel di ATLAS e studi preliminari di invecchiamento

The instantaneous luminosity at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN will increase up to 5x1034 cm2s-1 over the coming decade, undergoing several phases of upgrade. As a consequence of this upgrade program, the innermost end-cap stations of the ATLAS Muon Spectrometer needs to be replaced with the so-called New Small Wheels (NSW) during the LHC long shutdown in 2018/2019, in order to cope with the increased background hit rate. Each NSW will consist of 16 overlapping small and large sectors, with two multilayers of four small-strip Thin Gap Chambers (sTGC) and four Micro-Mesh Gaseous Structure (Micromegas) detector planes. Both detector technologies offer triggering and precision tracking capabilities. sTGCs will be used as the main triggering system while Micromegas as the main tracking system. The NSW detectors will be integrated into the Level-1 trigger algorithm in order to discard events selected by the Big Wheels, but not coming from the interaction point. To check the feasibility of this upgrade project, a Micromegas prototype detector (MMSW) with an active area of 0.5 m2 per layer was built at CERN in 2014, following the general design foreseen for the ATLAS Micromegas detectors and composed by four independent readout layers (quadruplet). This thesis describes the construction procedure and the methods I used to completely characterize the MMSW detector using cosmic rays. These methods will be used as quality control system of the final modules that will be constructed outside CERN at the different production sites from 2016. The performance studies include the measurement of the efficiency of each readout layer at different high voltages, as well as the study of the efficiency stability during time. Moreover, bi-dimensional efficiency maps have been realized in order to find small defects of the panels and study the homogeneity of the chambers behaviour. As the ageing characteristics of the detectors is one of the key issues for a high-luminosity LHC application, a long-term irradiation study has started at the GIF++ facility (Gamma Radiation Facility) at CERN. The aim is to accelerate the ageing of the chamber, to integrate the same charge expected for the entire ATLAS lifetime. The performances of the detectors are monitored and the behaviour of the gain and the efficiency is studied. Calibration studies have been conducted on two small T-type Micromegas prototypes in order to be then reproduced on the MMSW. The preliminary results of this long-term irradiation study are reported in the thesis. Finally several minor topics are also described in the thesis. These include the new features I have implemented in the data acquisition (DAQ) software used in the ATLAS Micromegas collaboration, as well as the studies I have done regarding the noise that is introduced by the detector front-end electronics.

La luminosità istantanea al Large Hadron Collider (LHC) press il CERN di Ginevra aumenterà fino a 5x1034 cm2s-1 nel prossimo decennio, attraversando diverse fasi di aggiornamento. Come conseguenza di questo programma di aggiornamenti, la stazione di muoni più interna nella direzione in avanti ha bisogno di essere sostituita con la cosiddetta “New Small Wheel” (NSW) durante il long shutdown di LHC previsto nel biennio 2018/2019, al fine di gestire l’incremento dei conteggi di fondo. Ogni NSW consisterà di 16 settori, piccoli e grandi, leggermente sovrapposti tra loro, con due multistrati costituiti da quattro piani di rivelatori Small Thin Gap Chamber (sTGC) e quattro di Micro-Mesh Gaseous Structure (Micromegas). Entrambe le tecnologie offrono caratteristiche adatte sia a fornire il segnale di trigger sia al tracciamento di precisione. Le sTGCs saranno usate come sistema di trigger principale, mentre le MicroMegas come sistema di tracking primario. I rivelatori della NSW saranno integrati nell’algoritmo di livello 1 del trigger dell’esperimento per rigettare eventi selezionati dalle Big Wheels, ma non provenienti dal punto di interazione. Per verificare la fattibilità del progetto, un prototipo di Micromegas (MMSW) con un’area attiva di 0.5 m2 per piano è stato realizzato al CERN nel 2014, seguendo le specifiche previste per i moduli finali e costituito da quattro piani indipendenti (quadrupletti). La mia tesi descrive le fasi di costruzione e i metodi che ho utilizzato per la completa caratterizzazione del rivelatore MMSW utilizzando i raggi cosmici. Questi metodi saranno usati come parametri di controllo della qualità dei moduli finali che saranno costruiti nei diversi siti di produzione a partire dal 2016. Gli studi di prestazioni includono la misurazione dell’efficienza di ogni pannello del rivelatore a differenti valori di tensione, così come lo studio della stabilità dell’efficienza in funzione del tempo. Inoltre mappe di efficienza bidimensionali sono state realizzate per localizzare piccoli difetti dei pannelli e studiare l’omogeneità del comportamento delle camere. Poiché l’ageing di un detector è una caratteristica fondamentale in particolare in vista del suo impiego in LHC nel periodo ad alta luminosità, uno studio di irraggiamento a lungo termine ha avuto inizio presso la struttura GIF++ al CERN. L’obiettivo è di accelerare l’invecchiamento del rivelatore per integrare la stessa carica prevista per l’intera vita dell’esperimento ATLAS. Le prestazioni dei rivelatori sono costantemente monitorate e l’andamento dell’efficienza e del guadagno sono studiati. Studi di calibrazione sono stati condotti su due piccoli prototipi Micromegas, per poi essere replicati su MMSW. Nella tesi sono riportati i risultati preliminari di questo irraggiamento a lungo termine. In ultimo diversi argomenti secondari sono descritti nella tesi. Questi includono le nuove caratteristiche che ho implementato nel software di acquisizione dati (DAQ) usato nella collaborazione Micromegas ATLAS, così come gli studi che ho realizzato riguardo al rumore introdotto dall’elettronica di front end.