The Large Hadron Electron Collider (LHeC) is a proposal for a TeV scale, 10^33 cm^−2 s^−1 luminosity electron-proton collider at CERN. In the proposal, an electron accelerator collides a beam of electrons with one of the Large Hadron Collider (LHC) proton beams at one LHC interaction point (IP). At the time of writing, the project has been approved as part of the CERN mid-term plan. The LHeC project is planned for the 2020s, around the time of the High Luminosity LHC (HL-LHC) upgrade. The LHeC thus depends upon the success of the HL-LHC project, which plans to deliver p-p luminosity of L=5×10^34 cm^−2 s^−1. Unique challenges are presented by the LHeC, particularly by the interaction region (IR) and long straight section (LSS), and constraints must be considered from beam, particle and detector physics and engineering. This thesis presents the study and design of a complete collision insertion solution for a ring-ring LHeC. This provides a solution at a conceptual level to the problem of delivering TeV scale e−p collisions at L∼10^33 cm^−2 s^−1 for the first time, with detector coverage within 1 degree of the beam. This high acceptance, high luminosity solution substantially increases the value of the project, allowing high statistics across an unprecedented kinematic range. Further studies are presented into optimising the optical flexibility of the LHC LSSs, and into the effects of fringe fields in the HL-LHC large aperture quadrupoles. Modifications are proposed which maximise LSS flexibility, and fringe effects are found to be significant but manageable.

ATLAS est l'une des deux principales expériences du LHC dans le but d'étudier les propriétés microscopiques de la matière afin de répondre aux questions les plus fondamentales de la physique des particules. Après les réalisations accomplies lors de la première prise de données, le potentiel de nouvelles découvertes et de mesures précises au LHC est étendu en repoussant les limites en matière d’énergie dans le centre de masse et de luminosité grâce à trois mises à niveau de l’accélérateur aboutissant au LHC à haute luminosité (HL-LHC). Pour tirer pleinement parti de l'augmentation de la luminosité, deux mises à niveau principales du détecteur interne ATLAS sont prévues. La première mise à niveau était déjà achevée au début de l'année 2015 avec l'insertion de l'IBL, une quatrième couche de pixels située à seulement 3,2 cm de la ligne de faisceau. Dans la deuxième mise à niveau majeure, prévue pour 2024, le détecteur interne complet sera remplacé par un tout nouveau dispositif de suivi interne entièrement constitué de dispositifs en silicium pour faire face à la forte densité de particules et à l’environnement de rayonnement intense du HL-LHC, qui pendant son fonctionnement période fournira 3000 fb-1, près de dix fois la luminosité intégrée du programme complet du LHC. Cette thèse aborde l’étude de nouveaux détecteurs de pixels de bord actifs n + -in-p en développant deux nouvelles méthodes d'analyse du profil du dopage pour étudier les effets des dommages d’irradiation sur les performances des détecteurs de pixels. Ces méthodes sont la méthode d'imagerie 3D sims et la méthode TLM. La simulation TCAD a été utilisée pour simuler les profils de dopage, le comportement électrique et les dommages dus au rayonnement. La validation des modèles de simulation avec les données a été effectuée. De plus, la caractérisation de la salle blanche ainsi que la mesure sur un faisceau de test ont été effectuées pour tester les différentes conceptions de détecteurs. Dans la deuxième partie de la thèse, je discute de l'observation de la désintégration du boson de Higgs en une paire de quarks b à l’aide des données collectées par ATLAS lors du Run 2 du LHC à une énergie de 13 TeV dans le centre de masse et une luminosité intégrée de 79.8 $fb^{-1}$. J'ai contribué à l'analyse où le boson de Higgs est produit en association avec un boson de jauge W ou Z. L'analyse VH(bb) ne considérant pas les leptons tau, j'ai réalisé une étude estimant l'impact de leur utilisation sur l'analyse. De plus, pour l’analyse VH (bb), j’ai travaillé sur l’estimation de fond multi-jets dans le canal à 1 lepton en utilisant la méthode d’analyse dijet-masse. / ATLAS is one of the two main experiments at LHC with the purpose of investigating the microscopic properties of matter to address the most fundamental questions of particle physics. After the achievements of the first years of running, the potential reach for new discoveries and precise measurements at LHC is being extended by pushing further the energy and luminosity frontiers through three upgrades of the accelerator culminating in the High Luminosity LHC (HL-LHC). To fully profit from the increased luminosity, two main upgrades of the ATLAS inner detector are planned. The first upgrade was already completed at the beginning of 2015 with the insertion of the IBL, a fourth pixel layer located at just 3.2 cm from the beam line. In the second major upgrade, foreseen for 2024, the full inner detector will be replaced by a completely new inner tracker fully made of silicon devices to cope with the high particle density and the harsh radiation environment at the HL-LHC, which during its operational period will deliver 3000 fb-1, almost ten times the integrated luminosity of the full LHC program. This thesis addresses the study of new n+-in-p active edge pixel detectors by developing two novel doping profile analysis methods to study the radiation damage effects on the pixel detectors performance. These methods are the 3D sims imaging method and the TLM Method. TCAD simulation has been used to simulate the doping profiles, the electrical behavior and the radiation damage. Validating the simulation models with data have been done. Moreover, clean-room characterization, as well as testbeam measurement have been performed to test the different detector designs. In the second part of the thesis, I discuss the observation of the standard model Higgs boson bb decay mode using the data collected by ATLAS during the LHC Run2 at center-of-mass energy 13 TeV and an integrated luminosity 79.8 fb-1 of a proton-proton collision. I contributed specifically to the search of the standard model Higgs boson in VH(bb) production mode. In the VH(bb) analysis we don't have any channel that considers the tau leptons in the final state. I have performed a feasibility study to verify the gain of using the taus in the analysis. In addition, for the VH(bb) analysis I have worked on the multi-jet background estimation in the 1-lepton channel using the dijet-mass analysis method.

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<p>The high luminosity phase of the LHC, poised to start taking data in 2027, aims to increase the instantaneous luminosity of the machine to 7.5 x 10³⁴ cm^-2 s^-1. This will make it possible for experiments at CERN to make higher precision measurements on known physics phenomenon as well as to search for “new physics”. However, this motivates the need for hardware upgrades at the various experiments in order to ensure compatibility with the HL-LHC. This thesis describes some of the efforts to upgrade the inner-most layers of the Compact Muon Solenoid, namely the CMS silicon pixel tracking detector. </p> <p>Silicon sensors used to track particles are installed in the detector as part of a pixel sensor module. Modules consist of a silicon sensor-readout chip assembly that is wire-bonded to an HDI, or High Density Interconnects to provide power and signals. </p> <p>As part of the upgrade, 2,541 modules need to be assembled delicately and identically with alignment error margins as low as 10 microns. Assembly will be across three production sites in clean rooms to avoid dust and humidity contamination.</p> <p>In addition, the modules need to survive high magnetic fields and extended close-range radiation as part of the HL-LHC.</p> <p>In line with this effort, new materials and assembly procedures able to sustain such damage are investigated. Techniques to assemble modules are explored, specifically precision placing of parts with a robotic gantry and techniques to protect wirebonds. This is followed by a discussion of the accuracy and repeatability.</p>

Le Modèle Standard de la physique des particules a jusqu’alors extrêmement bien réussi à décrire les particules élémentaires et leurs interactions. Malgré cela, il demeure toujours des questions ouvertes. La possibilité de répondre à ces questions grâce la Supersymétrie est actuellement à l’étude dans les collisions proton-proton à 13 TeV dans le cadre de l’expérience ATLAS au LHC. Cette thèse présente la recherche de la production de paires de particules colorées dans ATLAS, ces dernières se désintégrant en paires de jets. Pour ce faire, les données de 2016, 2017 et 2018 ont été utilisées. De telles particules échappent aux recherches standards de la Supersymétrie du fait de l’absence d’énergie transverse manquante dans l’état final. Deux signatures furent considérées, la désintégration de stops via des couplages violant la R-parité et la production de sgluon, le partenaire scalaire du gluino. En l’absence de signal, une amélioration de 200 GeV sur la masse maximum exclue est attendue. Le HL-LHC augmentera la luminosité intégrée délivrée afin de nous permettre de rechercher des particules plus massives et d'améliorer les mesures de précision du Modèle Standard. La luminosité instantanée augmentera d’un facteur 5 et une luminosité intégrée de 4000 fb⁻¹ devrait pouvoir être atteinte à la fin du LHC en 2037.Cette thèse présente également une étude des perspectives de mesure des couplages du Higgs au HL-LHC effectuée à l’aide de SFitter. Il est démontré que dans le cadre des Delta et d’une EFT, l’augmentation de la luminosité génère une amélioration de la précision de la mesure des couplages. Finalement, le Détecteur de temps fortement segmenté, qui sera installé dans ATLAS au HL-LHC, est présenté. La simulation de ce détecteur a été développée pour prendre en compte la résolution temporelle du détecteur et fut utilisée pour optimiser sa géométrie. Les performances de ce détecteur ont été étudiées, plus de 80 % des traces ont leurs temps correctement associés avec une résolution de 20 ps avant irradiation de 50 ps après. En utilisant les informations temporelles, l’isolation des électrons peut être amélioré de 10 %. / The Standard Model of particle physics has been extremely successful in describing the elementary particles and their interactions. Nevertheless, there are open questions that are left unanswered. Whether supersymmetry can provide answers to some of these is being studied in 13 TeV proton-proton collisions in the ATLAS experiment at the LHC. In this thesis a search for pair produced colored particles in ATLAS decaying into pairs of jets using data from 2016, 2017 and 2018 is presented. Such particles would escape standard Supersymmetry searches due to the absence of missing transverse energy in the final state. Stops decaying via a R-parity violating coupling and sgluon, scalar partners of the gluino, were considered. In the absence of a signal, an improvement of 200 GeV on the limit on the stop mass is expected. The HL-LHC will increase the integrated luminosity delivered to probe even higher mass ranges as well as improving the precision of Standard model measurements. The instantaneous luminosity will be increased by a factor 5 and an integrated luminosity of 4000 fb⁻¹ should be reached by the end of the LHC in 2037.A study of the Higgs coupling measurement prospects at the HL-LHC using SFitter is performed. Using the Delta and EFT framework shows that the increase in luminosity will result in a significant improvement of the precision of the measurement of the couplings. The High granularity timing detector detector will be installed in ATLAS for the HL-LHC. A simulation of the detector that takes into account the timing resolution was developed and used to optimize its layout. The detector performance was studied. More than 80 % of the tracks have their time correctly reconstructed with a resolution of 20 ps before irradiation and 50 ps after. Using the timing information, the electron isolation efficiency is improved by 10 %.

Le complexe d'accélérateurs du grand collisionneur de hadrons (le Large Hadron Collider - LHC) sera mis à jour lors du long arrêt de la période LS3 en 2023-2025 pour passer à la phase de haute luminosité (HL-LHC). La luminosité instantanée sera multipliée par 5 pour atteindre 7.5×10³⁴ cm⁻²s⁻¹, ce qui correspond à environ 200 collisions inélastiques par croisement de paquets comparé aux 50 par croisement au LHC. Pendant le fonctionnement du HL-LHC, afin d'atteindre une haute précision dans les études des processus physiques du modèle standard et les recherches de nouvelle physique, le collisionneur à protons devra fournir une luminosité intégrée de l’ordre 400 fb⁻¹ par an pendant une dizaine d’années soit 4000 fb⁻¹ escomptées. Ceci représente un ordre de grandeur supérieur à l'ensemble de la période du LHC. Le détecteur interne (Inner Detector) ATLAS actuel ne sera pas en mesure de faire face efficacement à l'augmentation du taux d'événements et de la dose de rayonnement. Afin d’obtenir des performances au minimum égales ou supérieures à celles de la phase LHC, et tenant compte d’un environnement plus hostile en termes de radiations et d’empilements d’évènements, il a été décidé d’opérer le remplacement complet du trajectomètre interne ou Inner Tracker (ITk); à cette fin, une technologie tout silicium a été choisie. Cette thèse est axée sur l'étude de nouveaux capteurs pixels planaires fins à bords très minces, basés sur le concept d’utilisation de matrices de diodes à implants dopés n sur un substrat dopé p. Ce choix est motivé par les critères de meilleure performance intrinsèque, de radio-tolérance élevée ainsi qu’un coût de production optimisé pour de grandes surfaces. Dans ce travail, des capteurs de différentes épaisseurs allant de 50 μm à 150 μm dotés de bords actifs et minces ont fait l’objet d’études approfondies notamment lors de leur fonctionnement à haut flux de particules chargées. De nombreuses analyses minutieuses ont été menées pour déterminer leur résolution en position à l’aide d’un télescope de faisceau de haute énergie. Les régions d’impacts sur la zone active des pixels ainsi que sur la région des contours ont été scrutées avant et après leur irradiation. En effet, de nombreux résultats obtenus en faisceau de protons et électrons seront montrés, notamment une étude comparative des différents concepts de matrices de capteurs de pixels planaires lus avec la puce de lecture « FE-I4 » en technologie CMOS 130 nm. Préparant la phase future du LHC, nous montrerons les premiers résultats obtenus avec la nouvelle génération de pixels granulaires. Ces matrices ont été couplées à la nouvelle puce de lecture frontale récemment développée au CERN, utilisant la technologie CMOS 65 nm. Ces capteurs dotés d’ une plus fine granularité de 50×50 μm² , ont un pas optimisé lequel est nécessaire pour maintenir un taux d'occupation aussi bas que possible dans un contexte de multiplicités de particules chargées très élevées. Dans ce travail, une contribution personnelle à l’électronique de lecture sera détaillée, en particulier les études ont été menées sur la puce nommée «Ring-Oscillator» ou moniteur de radiations, développée au laboratoire. On décrira son comportement dynamique en fonction de la température, de la tension nominale et en conditions hautement radiatives (500 MRad). La mise au point d’un nouvel outil de caractérisation de détecteurs pixels a fait l’objet d’un développement important. Grâce à un ensemble basé sur une excitation laser de 1060 nm, il sera possible de disposer d’un système précis et autonome capable de mesurer rapidement les caractéristiques fonctionnelles des matrices de pixels avec une excellente résolution spatiale. Les caractéristiques de cet outil feront l’objet d’une présentation exhaustive. / The Large Hadron Collider (LHC) will go through the accelerator complex upgrade during the LS3 long shutdown in 2023-2025 to move to the High Luminosity phase (HL-LHC). As a result, an instantaneous luminosity will increase sevenfold to 7.5×10³⁴ cm⁻²s⁻¹, corresponding to approximately 200 inelastic collisions per bunch-crossing, whereas the LHC runs resulted in up to 50 collisions per bunch-crossing. During the operation of the HL-LHC, in order to achieve high-precision in studies of Standard Model processes and searches for new physics, about 4000 fb⁻¹ of integrated luminosity be collected, which is of an order of magnitude larger than over the entire LHC period. The present ATLAS Inner Detector (ID) will not be able to efficiently cope with the increased event rate and radiation dose. Due to this fact the complete replacement of the ID is foreseen with fully silicon Inner Tracker (ITk) to provide high tracking performance in harsher environment delivered by the HL-LHC. This thesis is focused on the study of new n+-in-p planar silicon sensors, as a promising option to instrument the ITk pixel layers, considering their radiation hardness and cost-effectiveness. Sensors of different thicknesses ranging from 50 µm to 150 µm of active and slim edge designs have been tested at a high energy particle beam to investigate hit efficiency performance analyzed on the pixel active area and on the edge area before and after irradiation. The test beam results and their comparison for the different designs of the pixel sensors compatible with FE-I4 readout chip are discussed. Also, the first results on test beam characterization of the pixel modules employing a newly developed prototype of readout chip for the ITk, RD53A chip, implemented in 65 nm CMOS technology, were obtained. The sensors with the decreased to 25×100 µm² and 50×50 µm² pixel pitch to maintain the lower level of occupancy at high particle multiplicity were measured. Additionally, the tests of ring oscillators, contained in RD53A chip, which may be used as a monitor of the received radiation dose, were carried out depending on temperature, supplied voltage and irradiation level up to 500 MRad. Finally, the test bench setup for silicon pixel detectors characterization using an infra-red laser has been the subject of an original development in this thesis. The setup was developed in the clean room at Laboratoire de l'accélérateur linéaire (LAL) and it is capable of rapidly measuring the functional characteristics, providing a flexible charge injection with well-defined hit position to characterize the silicon pixel matrixes. The software to control the setup was created using LabVIEW programming environment. The results of the measurements with the FE-I4 module implemented with openings allowing the laser beam passage on a sensor backside are presented in this thesis.

As part of the Large Hadron Collider high luminosity upgrade it is proposed to include crab cavities and large aperture niobium tin final focussing magnets in the lattice in order to enhance the luminosity. In this thesis the dynamics of a proposed cavity design were considered in terms of their impact upon the dynamic aperture of the machine. Taylor maps for the cavity were created and used to perform this analysis with a full assessment of their validity. A set of symplectic thin cavity models were also developed and cross checked with the Taylor maps. Finally, dynamic aperture studies were performed using these models in order to determine which components of the crab cavity dynamics are important when considering the long term stability of the beam in the LHC upgrade. It is shown that crab cavities exhibit little impact on the LHC beam stability. For the final focussing magnets a preliminary study was conducted into the importance of including their fringe fields in a model of the LHC upgrade. A technical study was carried out into developing a symplectic model which was compatible with the current magnet models use for dynamic aperture studies. A preliminary dynamic aperture study was performed with the inclusion of fringe fields for the final focussing magnets from which the fringe fields are shown to have a negative impact on the long term beam stability.

Der Einfluss von Nichtlinearitäten höherer Ordnung der Magnetfelder auf die Leistung des Large Hadron Collider (LHC) und dessen geplante High-Luminosity-Aufrüstung, dem HL-LHC, wurde umfangreich untersucht. Insbesondere hat sich gezeigt, dass das Vorhandensein solcher Fehler in den Insertion Regions (IR) erhebliche Auswirkungen hat, bedingt durch hohe Beta-Funktionen und Feed-Down auf niedrigere Ordnungen aufgrund der Kreuzungsschemata. Augenmerk dieser Arbeit ist auf die Erforschung diverser Methoden zur effektiven Behandlung dieser Nichtlinearitäten höherer Ordnung gerichtet, mit dem Ziel, sie zu identifizieren und korrigieren, um die Strahloptik zu optimieren und die Maschinenleistung zu verbessern. Simulationsstudien werden eingesetzt, in denen mit verschiedenen Fehlerquellen assoziierte Resonanzantreibende Terme (RDTs) gezielt angegangen werden. Besondere Aufmerksamkeit gilt Dekapol- und Dodekapolfehlern, die in früheren Messungen im LHC schädliche Auswirkungen durch Feed-Down auf Amplituden-Detuning gezeigt haben. Die erwartete Erhöhung der Sensitivität der Optik gegenüber Fehlern in den IRs des HL-LHC unterstreicht weiter die Bedeutung der Behandlung dieser Fehler. Des Weitern werden Korrekturoptionen mit Hilfe der nichtlinearen Korrektorpaketen entwickelt. Experimentelle Studien werden durchgeführt, um die Ergebnisse zu validieren. Erhebliche Anstrengungen wurden unternommen, um die Feed-Down Effekte von Dekapol- und Dodekapol-Feldfehlern zu mindern. Um diese Herausforderung anzugehen, wurden neuartige Korrekturalgorithmen eingeführt, die erstmals die Dodekapol-Korrektoren in den IRs im operationellen Betrieb ansteuern. Die Ergebnisse dieser Experimente liefern wertvolle Erkenntnisse zur Minderung von Fehlern höherer Ordnung und tragen zum besseren Verständnis der Strahldynamik in modernen und zukünftigen Teilchenbeschleunigern bei. / The impact of high-order nonlinear magnetic field errors on the performance of the Large Hadron Collider (LHC) and its planned High-Luminosity upgrade, the HL-LHC, has been extensively studied. Particularly, the presence of such errors in the Insertion Regions (IR) has shown significant repercussions due to the high beta-functions and feed-down to lower orders caused by crossing schemes. This thesis aims to explore different methods for effectively addressing these high-order errors, with the ultimate goal of identifying and correcting them to optimize beam optics and enhance machine performance. Simulation studies are employed, using a novel and flexible correction algorithm developed during the course of this PhD research. Various strategies are investigated to improve corrections by targeting Resonance Driving Terms (RDTs) associated with diverse error sources. Special attention is devoted to decapole and dodecapole errors, which have demonstrated detrimental effects on amplitude detuning due to feed-down based on previous measurements in the LHC. The anticipated increase in optics sensitivity to errors in the IRs of the HL-LHC further underscores the importance of addressing these errors. Correction options are evaluated, focusing on the utilization of the nonlinear corrector packages to address errors in the new separation and recombination dipoles in the HL-LHC, where increased decapole errors had been expected. Experimental studies are conducted to validate the findings. Significant efforts are dedicated to mitigating the feed-down effects arising from decapole and dodecapole field errors. To address this challenge, novel corrections involving the operational implementation of dodecapole correctors in the IRs have been introduced for the first time. The results of these experiments provide valuable insights into the mitigation of high-order errors and contribute to the overall understanding of beam dynamics in advanced particle accelerators.

Am Large Hadron Collider und am ATLAS-Detektor werden umfangreiche Aufrüstungsarbeiten vorgenommen. Diese Arbeiten sind in mehrere Phasen gegliedert und umfassen unter Anderem Änderungen an der Ausleseelektronik der Flüssigargonkalorimeter; insbesondere ist es geplant, während der letzten Phase ihren Primärpfad vollständig auszutauschen. Die Elektronik besteht aus einem analogen und einem digitalen Teil: während ersterer die Signalpulse verstärkt und sie zur leichteren Abtastung verformt, führt letzterer einen Algorithmus zur Energierekonstruktion aus. Beide Teile müssen während der Aufrüstung verbessert werden, damit der Detektor interessante Kollisionsereignisse präzise rekonstruieren und uninteressante effizient verwerfen kann. In dieser Dissertation werden Simulationsstudien präsentiert, die sowohl die analoge als auch die digitale Auslese der Flüssigargonkalorimeter optimieren. Die Korrektheit der Simulation wird mithilfe von Kalibrationsdaten geprüft, die im sog. Run 2 des ATLAS-Detektors aufgenommen worden sind. Der Einfluss verschiedener Parameter der Signalverformung auf die Energieauflösung wird analysiert und die Nützlichkeit einer erhöhten Abtastrate von 80 MHz untersucht. Des Weiteren gibt diese Arbeit eine Übersicht über lineare und nichtlineare Energierekonstruktionsalgorithmen. Schließlich wird eine Auswahl von ihnen hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit miteinander verglichen. Es wird gezeigt, dass ein Erhöhen der Ordnung des Optimalfilters, der gegenwärtig verwendete Algorithmus, die Energieauflösung um 2 bis 3 % verbessern kann, und zwar in allen Regionen des Detektors. Der Wiener Filter mit Vorwärtskorrektur, ein nichtlinearer Algorithmus, verbessert sie um bis zu 10 % in einigen Regionen, verschlechtert sie aber in anderen. Ein Zusammenhang dieses Verhaltens mit der Wahrscheinlichkeit fälschlich detektierter Kalorimetertreffer wird aufgezeigt und mögliche Lösungen werden diskutiert.:1 Introduction 2 An Overview of High-Energy Particle Physics 2.1 The Standard Model of Particle Physics 2.2 Verification of the Standard Model 2.3 Beyond the Standard Model 3 LHC, ATLAS, and the Liquid-Argon Calorimeters 3.1 The Large Hadron Collider 3.2 The ATLAS Detector 3.3 The ATLAS Liquid-Argon Calorimeters 4 Upgrades to the ATLAS Liquid-Argon Calorimeters 4.1 Physics Goals 4.2 Phase-I Upgrade 4.3 Phase-II Upgrade 5 Noise Suppression With Digital Filters 5.1 Terminology 5.2 Digital Filters 5.3 Wiener Filter 5.4 Matched Wiener Filter 5.5 Matched Wiener Filter Without Bias 5.6 Timing Reconstruction, Optimal Filtering, and Selection Criteria 5.7 Forward Correction 5.8 Sparse Signal Restoration 5.9 Artificial Neural Networks 6 Simulation of the ATLAS Liquid-Argon Calorimeter Readout Electronics 6.1 AREUS 6.2 Hit Generation and Sampling 6.3 Pulse Shapes 6.4 Thermal Noise 6.5 Quantization 6.6 Digital Filters 6.7 Statistical Analysis 7 Results of the Readout Electronics Simulation Studies 7.1 Statistical Treatment 7.2 Simulation Verification Using Run-2 Data 7.3 Dependence of the Noise on the Shaping Time 7.4 The Analog Readout Electronics and the ADC 7.5 The Optimal Filter (OF) 7.6 The Wiener Filter 7.7 The Wiener Filter with Forward Correction (WFFC) 7.8 Final Comparison and Conclusions 8 Conclusions and Outlook Appendices / The Large Hadron Collider and the ATLAS detector are undergoing a comprehensive upgrade split into multiple phases. This effort also affects the liquid-argon calorimeters, whose main readout electronics will be replaced completely during the final phase. The electronics consist of an analog and a digital portion: the former amplifies the signal and shapes it to facilitate sampling, the latter executes an energy reconstruction algorithm. Both must be improved during the upgrade so that the detector may accurately reconstruct interesting collision events and efficiently suppress uninteresting ones. In this thesis, simulation studies are presented that optimize both the analog and the digital readout of the liquid-argon calorimeters. The simulation is verified using calibration data that has been measured during Run 2 of the ATLAS detector. The influence of several parameters of the analog shaping stage on the energy resolution is analyzed and the utility of an increased signal sampling rate of 80 MHz is investigated. Furthermore, a number of linear and non-linear energy reconstruction algorithms is reviewed and the performance of a selection of them is compared. It is demonstrated that increasing the order of the Optimal Filter, the algorithm currently in use, improves energy resolution by 2 to 3 % in all detector regions. The Wiener filter with forward correction, a non-linear algorithm, gives an improvement of up to 10 % in some regions, but degrades the resolution in others. A link between this behavior and the probability of falsely detected calorimeter hits is shown and possible solutions are discussed.:1 Introduction 2 An Overview of High-Energy Particle Physics 2.1 The Standard Model of Particle Physics 2.2 Verification of the Standard Model 2.3 Beyond the Standard Model 3 LHC, ATLAS, and the Liquid-Argon Calorimeters 3.1 The Large Hadron Collider 3.2 The ATLAS Detector 3.3 The ATLAS Liquid-Argon Calorimeters 4 Upgrades to the ATLAS Liquid-Argon Calorimeters 4.1 Physics Goals 4.2 Phase-I Upgrade 4.3 Phase-II Upgrade 5 Noise Suppression With Digital Filters 5.1 Terminology 5.2 Digital Filters 5.3 Wiener Filter 5.4 Matched Wiener Filter 5.5 Matched Wiener Filter Without Bias 5.6 Timing Reconstruction, Optimal Filtering, and Selection Criteria 5.7 Forward Correction 5.8 Sparse Signal Restoration 5.9 Artificial Neural Networks 6 Simulation of the ATLAS Liquid-Argon Calorimeter Readout Electronics 6.1 AREUS 6.2 Hit Generation and Sampling 6.3 Pulse Shapes 6.4 Thermal Noise 6.5 Quantization 6.6 Digital Filters 6.7 Statistical Analysis 7 Results of the Readout Electronics Simulation Studies 7.1 Statistical Treatment 7.2 Simulation Verification Using Run-2 Data 7.3 Dependence of the Noise on the Shaping Time 7.4 The Analog Readout Electronics and the ADC 7.5 The Optimal Filter (OF) 7.6 The Wiener Filter 7.7 The Wiener Filter with Forward Correction (WFFC) 7.8 Final Comparison and Conclusions 8 Conclusions and Outlook Appendices

Um das Entdeckungspotential des Large Hadron Colliders auszunutzen, wird er beginnend 2024 zum High Luminosity Large Hadron Collider ausgebaut. Neue Detektorherausforderungen entstehen durch die höhere instantane Luminosität und den höheren Teilchenfluss. Der neue ATLAS Inner Tracker wird den aktuellen Spurdetektor ersetzen, um mit diesen Herausforderungen umzugehen. Es gibt viele Pixeldetektortechnologien zur Teilchenspurerkennung, jedoch muss ihre Eignung für den ATLAS Inner Tracker untersucht werden. Aktive Hochspannungs-CMOS-Sensoren, die in industriellen Prozessen produziert werden, bieten eine schnelle Auslese und Strahlenhärte. In dieser Arbeit wird der HV2FEI4v2-Sensor, der kapazitiv mit dem ATLAS-FE-I4-Auslesechip gekoppelt ist, dahingehend charakterisiert, ob er für eine Verwendung in einer der äußeren Lagen des ATLAS Inner Tracker geeignet ist. Schlüsselgrößen des Prototypens, wie die Treffereffizienz und die Subpixelentschlüsselung, werden untersucht. Der frühe HV2FEI4v2-Prototyp zeigt vielversprechende Ergebnisse, die als Ausgangspunkt für weitere Entwicklungen dienen. Aktive CMOS-Sensoren stellen einen möglichen Kandidaten für einen kosteneffizienten Detektor für den High Luminosity Large Hadron Collider.