This thesis describes the optimisation of the calorimeter design for collider experiments at the future Compact Linear Collider (CLIC) and the International Linear Collider (ILC). The detector design of these experiments is built around high-granularity Particle Flow Calorimetry that, in contrast to traditional calorimetry, uses the energy measurements for charged particles from the tracking detectors. This can only be realised if calorimetric energy deposits from charged particles can be separated from those of neutral particles. This is made possible with fine granularity calorimeters and sophisticated pattern recognition software, which is provided by the PandoraPFA algorithm. This thesis presents results on Particle Flow calorimetry performance for a number of detector configurations. To obtain these results a new calibration procedure was developed and applied to the detector simulation and reconstruction to ensure optimal performance was achieved for each detector configuration considered. This thesis also describes the development of a software compensation technique that vastly improves the intrinsic energy resolution of a Particle Flow Calorimetry detector. This technique is implemented within the PandoraPFA framework and demonstrates the gains that can be made by fully exploiting the information provided by the fine granularity calorimeters envisaged at a future linear collider. A study of the sensitivity of the CLIC experiment to anomalous gauge couplings that {affect} vector boson scattering processes is presented. These anomalous couplings provide insight into possible beyond standard model physics. This study, which utilises the excellent jet energy resolution from Particle Flow Calorimetry, was performed at centre-of-mass energies of 1.4 TeV and 3 TeV with integrated luminosities of 1.5$\text{ab}^{-1}$ and 2$\text{ab}^{-1}$ respectively. The precision achievable at CLIC is shown to be approximately one to two orders of magnitude better than that currently offered by the LHC. In addition, a study into various technology options for the CLIC vertex detector is described.

La très haute luminosité visée par les futurs collisionneurs linéaires nécessite une très forte focalisation finale des faisceaux au point d’interaction jusqu’à des dimensions transverses nanométriques. Dans le cadre de ce travail, la ligne de haute énergie de l’ILC délivrant le faisceau au point d’interaction a d’abord été optimisée pour permettre le ‘push-pull’ des détecteurs, ainsi que pour étudier l’impact d’une réduction d’une centaine de mètre de la longueur totale de la ligne. L’objet du travail a ensuite consisté à optimiser la région d’interaction pour conserver la luminosité en présence du détecteur de l’expérience contenant un solénoïde et un dipôle. Dans ce but, un modèle de la région d’interaction a été établi, afin d’être en mesure de simuler le transport du faisceau dans l’ensemble de la ligne de haute énergie en intégrant les éléments non coaxiaux du détecteur. Cette modélisation inclut pour la première fois tous les éléments électromagnétiques de la région d’interaction (cavité crabe, quadripôles et sextupôles du système de focalisation, solénoïde, dipôle intégré au détecteur). Elle a permis l’optimisation de l’anti-solénoïde, élément essentiel du système de correction des effets du solénoïde de l’expérience. Pour mesurer les performances de la machine après compensation totale des effets du solénoïde, un outil de calcul de la luminosité apte à utiliser des distributions quelconques a été développé. On montre alors que l’acceptance en moment de la ligne est réduite en présence du solénoïde compensé. Il a de plus été mis en évidence que l’insertion du solénoïde induit le transfert de l’effet de la cavité crabe du plan horizontal vers le plan vertical, ce qui provoque une nouvelle perte de luminosité. Enfin la dernière partie de ce travail de thèse est consacrée à l’étude de l’application d’une configuration à grand angle de Piwinski aux collisionneurs linéaires. Pour cela les paramètres des effets faisceau-faisceau en présence d’un angle de croisement ont été évalués. Il est possible de réduire la disruption du faisceau après collision en conservant la luminosité, en revanche réduire le paramètre de beamstrahlung est moins aisé en raison de la déviation horizontale de la trajectoire centrale. / Strong focalisation of the beam is mandatory at the interaction point of the future linear collider in order to reach very high luminosity. In this work, the ILC (International Linear Collider) beam delivery system has been re-optimised, first to take the ‘push-pull’ of the two detectors into account, then to evaluate the influence of a reduction of the total length by hundred meters approximately. In the following part, the interaction region has been optimised to restore the nominal luminosity in the presence of the detector, containing a solenoid and a magnetic dipole. Due to the crossing angle of the beams, these elements are not coaxial and a model for the interaction region had to be developed. This model enables to track the beam in the entire beam delivery system, from the end of the linac to the interaction point. The simulation includes for the first time all the electromagnetic elements of the interaction region (crab cavity, final focusing system quadrupoles and sextupoles, solenoid, detector integrated dipole). Thanks to this model, the weak anti-solenoid could be added and optimised as the main corrector of the solenoid effects on the beam. To study the new performances of the collider after full compensation of these effects, a luminosity calculation tool has been developed. It is shown that the momentum acceptance is reduced after compensation of the solenoid effects. Moreover, transverse coupling induces the transfer of the crab cavity horizontal kick to the vertical plane, implying a significant luminosity loss. Finally the last part of the thesis concerns the application of a large Piwinski’s angle to the linear colliders. The calculation of the beam-beam interaction parameters in the presence of a crossing angle is studied. Due to the crossing angle the central trajectory is deviated in the horizontal plane, preventing the beamstrahlung to be reduced at constant luminosity. However the disruption could be made significantly smaller.

This work deals with the design of a CMOS pixel sensor prototype (called MIMOSA 31) for the outer layers of the International Linear Collider (ILC) vertex detector. CMOS pixel sensors (CPS) also called monolithic active pixel sensors (MAPS) have demonstrated attractive performance towards the requirements of the vertex detector of the future linear collider. MIMOSA 31developed at IPHC-Strasbourg is the first pixel sensor integrated with 4-bit column-level ADC for the outer layers. It is composed of a matrix of 64 rows and 48 columns. The pixel concept combines in-pixel amplification with a correlated double sampling (CDS) operation in order to reduce the temporal and fixed pattern noise (FPN). At the bottom of the pixel array, each column is terminated with an analog to digital converter (ADC). The self-triggered ADC accommodating the pixel readout in a rolling shutter mode completes the conversion by performing a multi-bit/step approximation. The ADC design was optimized for power saving at sampling frequency. Accounting the fact that in the outer layers of the ILC vertex detector, the hit density is inthe order of a few per thousand, this ADC works in two modes: active mode and inactive mode. This thesis presents the details of the prototype chip and its laboratory test results.

La thèse présente le développement de CPS (CMOS Pixel Sensors) intégré avec CAN au niveau du pixel pour les couches externes du détecteur de vertex de l’ILD (International Large Detector). Motivé par la physique dans l’ILC (International Linear Collider), une précision élevée est nécessaire pour les détecteurs. La priorité des capteurs qui montre sur les couches externes est une faible consommation d’énergie en raison du rapport élevé de couverture de la surface sensible (~90%) dans le détecteur de vertex. Le CPS intégré avec CAN est un choix approprié pour cette application. L’architecture de CAN de niveau colonne ne fournit pas une performance optimisée en termes de bruit et la consommation d’énergie. La conception de CAN au niveau du pixel a été proposée. Bénéficiant des sorties de pixels tout-numérique, CAN au niveau des pixels présentent les mérites évidents sur le bruit, la vitesse, la zone sensible et la consommation d’énergie. Un prototype de capteur, appelé MIMADC, a été implémenté par un processus de 0.18 μm CIS (CMOS Image Sensor). L’objectif de ce capteur est de vérifier la faisabilité du CPS intégré avec les CAN au niveau des pixels. Trois matrices sont incluses dans ce prototype, mais avec deux types différents de CAN au niveau de pixel: une avec des CAN à registre à approximations successives (SAR), et les deux autres avec des CAN à une seule pente (Single-Slope, SS) CAN. Toutes les trois possédant les pixels de la même taille de 35×35 μm2 et une résolution de 3-bit. Dans ce texte, des analyses théoriques et le prototype sont présentés, ainsi que la conception détaille des circuits. / This thesis presents the development of CMOS pixel sensors (CPS) integrated with pixel-level ADCs for the outer layers of the ILD (International Large Detector) vertex detector. Driven by physics in the ILC (International Linear Collider), an unprecedented precision is required for the detectors. The priority of the sensors mounted on the outer layers is low power consumption due to the large coverage ratio of the sensitive area (~90%) in the vertex detector. The CPS integrated with ADCs is a promising candidate for this application. The architecture of column-level ADCs, exists but do not provide an optimized performance in terms of noise and power consumption. The concept of pixel-level ADCs has been proposed. Benefiting from the all-digital pixel outputs, pixel-level ADCs exhibit the obvious merits on noise, speed, insensitive area, and power consumption. In this thesis, a prototype sensor, called MIMADC, has been implemented by a 0.18 μm CIS (CMOS Image Sensor) process. The target of this sensor is to verify the feasibility of the CPS integrated with pixel-level ADCs. Three matrices are included in this prototype but with two different types of pixel-level ADCs: one with successive approximation register (SAR) ADCs, and the other two with single-slope (SS) ADCs. All of them feature a same pixel size of 35×35 μm2 and a resolution of 3-bit. In this thesis, the prototype is presented for both theoretical analyses and circuit designs. The test results of the prototype are also presented.

Las exigentes tolerancias de alineación en los componentes de los futuros colisionadores lineales de partículas requieren el desarrollo de nuevas técnicas de alineación más precisas que las existentes. Este es el caso del Colisionador Lineal Compacto (Compact Linear Collider, CLIC), cuyos objetivos altamente restrictivos de alineamiento alcanzan los 10 um. Para poder lograr el máximo rendimiento del acelerador, es necesario que el posicionamiento de las estructuras que aceleran las partículas y de los campos que las guían cumplan las tolerancias de alineación para dirigir el haz a lo largo de la trayectoria diseñada. Dicho procedimiento consiste en relacionar la posición de los ejes de referencia de cada componente con respecto a objetos externos, o fiduciales, lo cual resulta muy tedioso y económicamente costoso. Los errores sistemáticos y aleatorios se van acumulando en cada paso del proceso y, en consecuencia, la precisión final de alineamiento es todo un desafío. En este contexto, nace el proyecto PACMAN (Particle Accelerator Components Metrology and Alignment to the Nanometre scale), subvencionado por la Unión Europea en el programa FP7 de financiación para la investigación e innovación. El objetivo principal de PACMAN es investigar, desarrollar e implementar una solución integrada alternativa que incorpore todos los pasos de alineación en una misma ubicación, con el objetivo de mejorar la precisión de alineación de los componentes de los aceleradores, en concreto: las estructuras aceleradoras, los cuadrupolos y los monitores de posición de haz. La viabilidad de las soluciones desarrolladas y la precisión de alineamiento alcanzada deben de demostrarse en un banco de pruebas utilizando componentes de CLIC. La estrategia de PACMAN para alcanzar el objetivo técnico se divide en tres pasos. El primero consiste en la fiducialización de los componentes y sus soportes. El segundo paso es el ensamblaje de los componentes en dos tipos de soporte, uno compuesto por un monitor de posición de haz y un cuadrupolo, y otro con cuatro estructuras aceleradoras, tomando como referencia su centro electromagnético. Finalmente, ambos soportes se transportan al túnel para su alineación final utilizando técnicas de hilos tensados. En esta tesis doctoral, se describe el desarrollo de una nueva técnica no destructiva para localizar los ejes electromagnéticos de estructuras aceleradoras y su validación experimental. Para ello, se ha utilizado una estructura aceleradora de CLIC conocida como TD24. Debido a la complejidad mecánica de la TD24, su difícil acceso y su diámetro medio de iris de 5.5 mm, se desarrolla una nueva técnica denominada en esta tesis como 'el método perturbativo' y se realiza una propuesta experimental de validación. El estudio de viabilidad de este método, cumpliendo con los requisitos impuestos de precisión en la medida de 10 um, ha sido realizado con una campaña extensa de simulaciones de campos electromagnéticos en tres dimensiones utilizando la herramienta de software conocida como HFSS. Los resultados de simulación han permitido el desarrollo de un algoritmo muy completo de medidas y han proporcionado las especificaciones técnicas para el diseño conceptual de un banco de pruebas para la medida de los ejes electromagnéticos de la TD24. El preciso ensamblaje del banco de pruebas y sus correspondientes calibraciones, la incorporación de nuevos tratamientos de las medidas en el algoritmo final y la caracterización de fuentes de error en la medida, favorecieron la localización del centro electromagnético en la TD24 con una precisión menor a 1 um con un error estimado menor que 8.5 um, cumplimiendo con los objetivos de precisión establecidos. / In the next generation of linear particle accelerators, challenging alignment tolerances are required in the positioning of the components focusing, accelerating and detecting the beam over the accelerator length in order to achieve the maximum machine performance. In the case of the Compact Linear Collider (CLIC), accelerating structures, beam position monitors and quadrupole magnets need to be aligned in their support with respect to their reference axes with an accuracy of 10 um. To reach such objective, the PACMAN (Particle Accelerator Components Metrology and Alignment to the Nanometer Scale) project strives for the improvement of the current alignment accuracy by developing new methods and tools, whose feasibility should be validated using the major CLIC components. This Ph.D. thesis concerns the investigation, development and implementation of a new non-destructive intracavity technique, referenced here as 'the perturbative method', to determine the electromagnetic axes of accelerating structures by means of a stretched wire, acting as a reference of alignment. Of particular importance is the experimental validation of the method through the 5.5 mm iris-mean aperture CLIC prototype known as TD24, with complex mechanical features and difficult accessibility, in a dedicated test bench. In the first chapter of this thesis, the alignment techniques in particle accelerators and the novel proposals to be implemented in the future linear colliders are introduced, and a detailed description of the PACMAN project is provided. The feasibility study of the method, carried out with extensive electromagnetic fields simulations, is described in chapter 2, giving as a result, the knowledge of the theoretical accuracy expected in the measurement of the electromagnetic axes and facilitating the development of a measurement algorithm. The conceptual design, manufacturing and calibration of the automated experimental set-up, integrating the solution developed to measure the electromagnetic axes of the TD24, are covered in chapter 3. The future lines of research and developments of the perturbative method are also explored. In chapter 4, the most significant results obtained from an extensive experimental work are presented, analysed and compared with simulations. The proof-of-principle is completed, the measurement algorithm is optimised and the electromagnetic centre is measured in the TD24 with a precision less than 1 um and an estimated error less than 8.5 um. Finally, in chapter 5, the developments undertaken along this research work are summarised, the innovative achievements accomplished within the PACMAN project are listed and its impact is analysed. / En la generació pròxima d'acceleradors de partícules lineals, desafiant toleràncies d'alineament és requerit en el posicionament dels components que enfoquen, accelerant i detectant la biga sobre la longitud d'accelerador per tal d'aconseguir l'actuació de màquina màxima. En el cas del Colisionador Compacte Lineal (CLIC), accelerant estructures, monitors de posició de fes i imants necessiten ser alineats en el seu suport amb respectar a les seves destrals de referència amb una precisió de 10 um. Per assolir tal objectiu, el PACMAN (Metrologia de Components de l'Accelerador de partícules i Alineament al Nanometer Escala) projecte s'esforça per la millora de l'actual precisió d'alineament per mètodes nous en desenvolupament i eines, la viabilitat dels quals hauria de ser validada utilitzant els components de CLIC importants. Aquesta tesi concerneix la investigació, desenvolupament i implementació d'un nou no-destructiu tècnica interna, va referenciar ací mentre 'el mètode de pertorbació' per determinar les destrals electromagnètiques d'accelerar estructures mitjançant un cable estès, actuant com a referència d'alineament. De la importància particular és la validació experimental del mètode a través del 5.5 mm iris-roí obertura prototipus de CLIC sabut com TD24, amb característiques mecàniques complexes i accessibilitat difícil, en un banc de prova dedicat. En el primer capítol d'aquesta tesi, les tècniques d'alineament en acceleradors de partícules i les propostes novelles per ser implementades en el futur colisionador lineal és introduït, i una descripció detallada del projecte PACMAN és proporcionat. L'estudi de viabilitat el mètode de pertorbació, va dur a terme amb simulacres de camps electromagnètics extensos, és descrit dins capitol 2, donant com a resultat, el coneixement de la precisió teòrica esperada en la mida de les destrals electromagnètiques i facilitant el desenvolupament d'un algoritme de mida. El disseny conceptual, fabricació i calibratge del conjunt experimental automatitzat-amunt, integrant la solució desenvolupada per mesurar les destrals electromagnètiques del TD24, és cobert dins capitol 3. Les línies futures de recerca i desenvolupaments del mètode és també va explorar. Dins capitol 4, la majoria de resultats significatius van obtenir d'una faena experimental extensa és presentada, analitzat i comparat amb simulacres. La prova-de-el principi és completat, l'algoritme de mida és optimitzat i el centre electromagnètic és mesurat en el TD24 amb una precisió menys d'1 um i un error calculat menys de 8.5 um. Finalment, dins capitol 5, els desenvolupaments empresos al llarg d'aquesta faena de recerca és resumit, les consecucions innovadores van acomplir dins del projecte PACMAN és llistat i el seu impacte és analitzat. / Galindo Muñoz, N. (2018). Development of direct measurement techniques for the in-situ internal alignment of accelerating structures [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/100488