This dissertation investigates CsI(Tl) pulse shape discrimination (PSD) as a novel experimental technique to improve challenging areas of particle identification at high energy $e^+ e^-$ colliders using CsI(Tl) calorimeters. In this work CsI(Tl) PSD is implemented and studied at the Belle II experiment operating at the SuperKEKB $e^+ e^-$ collider, representing the first application of CsI(Tl) PSD at a $B$ factory experiment. Results are presented from Belle II as well as a testbeam completed at the TRIUMF proton and neutron irradiation facility. From the analysis of the testbeam data, energy deposits from highly ionizing particles are shown to produce a CsI(Tl) scintillation component with decay time of $630\pm10$ ns, referred to as the hadron scintillation component, and not present in energy deposits from electromagnetic showers or minimum ionizing particles. By measuring the fraction of hadron scintillation emission relative to the total scintillation emission, a new method for CsI(Tl) pulse shape characterization is developed and implemented at the Belle II experiment's electromagnetic calorimeter, constructed from 8736 CsI(Tl) crystals. A theoretical model is formulated to allow for simulations of the particle dependent CsI(Tl) scintillation response. This model is incorporated into GEANT4 simulations of the testbeam apparatus and the Belle II detector, allowing for accurate simulations of the observed particle dependent scintillation response of CsI(Tl). With $e^\pm$, $\mu^\pm$, $\pi^\pm$, $K^\pm$ and $p/\bar{p}$ control samples selected from Belle II collision data the performance of this new simulation technique is evaluated. In addition the performance of hadronic interaction modelling by GEANT4 particle interactions in matter simulation libraries is studied and using PSD potential sources of data vs. simulation disagreement are identified. A PSD-based multivariate classifier trained for $K_L^0$ vs. photon identification is also presented. With $K_L^0$ and photon control samples selected from Belle II collision data, pulse shape discrimination is shown to allow for high efficiency $K_L^0$ identification with low photon backgrounds as well as improved $\pi^0$ identification compared to shower-shape based methods. / Graduate

Bien que souvent assez consommatrice en temps de calcul, la méthode Monte Carlo est l'algorithme de calcul qui modélise au plus près la physique liée aux processus de dépôts d'énergie. L'idée est d'utiliser les calculs Monte Carlo dans le traitement quotidien du cancer par rayonnement pour rivaliser avec les systèmes de planification de traitement (TPS) existants dans le but de délivrer une dose absorbée à la tumeur pour des traitements spécifiques. Pour atteindre cet objectif, deux points ont été particulièrement étudiés au cours de cette thèse : la validation de la plate-forme de simulation GATE pour des applications en dosimétrie utilisant des électrons, une étude particulière est faite concernant les traitements de curiethérapie oculaire utilisant des applicateurs ophtalmiques de 106Ru/106Rh, et le déploiement des simulations GATE dans un environnement de grille pour réduire les temps de calcul très élevés de ces simulations.<br />Des points kernels de dose d'électrons mono-énergétiques et poly-énergétiques ont été simulés en utilisant la plate-forme GATE et comparés à d'autres codes Monte Carlo. Trois versions des packages de librairies ont été utilisées pour les comparaisons (5.2, 6.2 et 7.0). Les résultats montrent que l'implémentation de la diffusion multiple est responsable des différences observées entre les codes. Les simulations de traitements de curiethérapie oculaire comparées avec d'autres Monte Carlo et des mesures montrent un bon accord. La transcription des unités Hounsfield, à partir des données scanner sur l'anatomie du patient, en paramètres tissulaires est l'autre étude présentée pour une utilisation prochaine de GATE sur des images voxélisées pour la dosimétrie personnalisée. Les infrastructures des projets DataGrid puis d'EGEE ont été utilisées pour déployer les simulations GATE afin de réduire leur temps de calcul dans le but de les utiliser en routine clinique.<br />La méthode utilisée pour paralléliser les simulations GATE est la division du générateur de nombres aléatoires (RNG) en séquences indépendantes. Des tests de temps de calcul réalisés sur des bancs tests de grille montrent qu'un gain significatif est obtenu. Les fonctionnalités pour diviser, lancer et contrôler les simulations GATE sur une infrastructure de grille ont été implémentées sur le portail web GENIUS. Un premier prototype de ce portail est accessible à partir d'un centre hospitalier pour l'utilisation de la précision des algorithmes Monte Carlo de manière transparente et sécurisée pour des traitements de cancer de l'œil.

Les simulations Monte-Carlo représentent actuellement en imagerie médicale nucléaire un outil puissant d'aide à la conception et à l'optimisation des détecteurs, et à l'évaluation des algorithmes de reconstruction et des méthodes de corrections des effets physiques. Parmi les nombreux simulateurs disponibles aujourd'hui, aucun n'est considéré comme standard en imagerie nucléaire, ce qui a motivé le développement d'une nouvelle plate-forme de simulation Monte-Carlo générique (GATE), basée sur GEANT4 et dédiée aux applications SPECT/PET. Au cours de cette thèse, nous avons participé au développement de la plate-forme GATE dans le cadre d'une collaboration internationale. Nous avons validé GATE en SPECT en modélisant deux gamma-caméras de conception différente, l'une dédiée à l'imagerie du petit animal et l'autre utilisée en routine clinique (Philips AXIS), et en comparant les résultats issus des simulations GATE avec les données acquises expérimentalement. Les résultats des simulations reproduisent avec précision les performances des deux gamma-caméras mesurées. La plate-forme GATE a ensuite été employée pour développer une nouvelle méthode de reconstruction 3D (F3DMC), consistant à calculer par simulation Monte-Carlo la matrice de transition utilisée dans un algorithme de reconstruction itératif (ici, ML-EM), en y incluant les principaux effets physiques perturbant le processus de formation de l'image. Les résultats de F3DMC sont comparés aux résultats obtenus avec trois autres méthodes de reconstruction plus classiques (FBP, MLEM, MLEMC) pour différents fantômes simulés. Les résultats de cette étude montrent que F3DMC permet d'améliorer l'efficacité de reconstruction, la résolution spatiale et le rapport signal-sur-bruit avec une quantification satisfaisante des images. Ces résultats devront être confirmés par des études cliniques et ouvrent la voie vers une méthode de reconstruction unifiée, pouvant être appliquée aussi bien en SPECT qu'en PET.

Space radiation is significantly harmful to electronic Components. The operating time, duration and orbit of the space mission are affected by the characteristic of the radiation environment. The aging and the performance of the electronic components are modified by radiation. The performance of the space systems such as electronic units, sensors, power and power subsystem units, batteries, payload equipments, communication units, remote sensing instruments, data handling units, externally located units, and propulsion subsystem units is determined by the properly functioning of various electronic systems. Such systems are highly sensitive against space radiation. The space radiation can cause damage to electronic components or functional failure on the electronics. A precisely methodology is needed to ensure that space radiation is not a threat on the functionality and performance of the electronics during their operational lives. This methodology is called as &rdquo / Radiation Hardness Assurance&rdquo / . In this thesis, the hardening of electronics against space radiation is discussed. This thesis describes the space radiation environments, physical mechanisms, effects of space radiation, models of the space radiation environment, simulation of the Total Ionizing Dose, and &rdquo / Radiation Hardness Assurance&rdquo / which covers Total Ionizing Dose and Single Event Effects testing and analyzing of the electronics.

Les traitements de radiothérapie nécessitent la délivrance d'une dose précise au niveau de la tumeur et une bonne connaissance de la dose dans les zones avoisinantes. Ce calcul, habituellement réalisé par les TPS, exige des outils précis et rapides. La plate-forme de simulation Monte-Carlo GATE, basée sur le code GEANT4, offre un outil performant pour les applications de la médecine nucléaire mais aussi des fonctionnalités permettant de faire des calculs dosimétriques de façon fiable et rapide. Dans cette thèse, deux études ont été menées en parallèle: la validation de la plate-forme GATE pour la modélisation de sources d'électrons et de photons de basse énergie et l'exploitation optimisée des infrastructures de grille informatique pour réduire les temps de calculs des simulations. GATE a été validé pour le calcul de points kernels de dose d'électrons mono-énergétiques et comparé avec les résultats d'autres études Monte-Carlo. Une étude détaillée a été faite sur la gestion du dépôt d'énergie au cours du transport des électrons dans GEANT4. Nous nous sommes intéressés aussi à la validation de GATE concernant le dépôt de dose de photons de très basse énergie ( < 35 keV). Pour cela, trois modèles de sources radioactives utilisés en curiethérapie et contenant de l'iode 125 (modèle 2301 de Best Medical International ; Symmetra de UroMed/Bebig et 6711 d'Amersham) ont été simulés. Plusieurs caractéristiques dosimétriques ont été étudiées selon les recommandations du groupe de travail N°43 de l'AAPM (American Association of Physicists in Medecine). Les résultats obtenus montrent une bonne concordance entre GATE et les études prises comme référence et recommandées par l'AAPM. L'utilisation de simulations Monte-Carlo dans les applications médicales pour une meilleure définition de la dose déposée dans un volume tumoral, nécessite des temps de calculs longs. Afin de réduire ces temps, nous avons exploité l'infrastructure de la grille EGEE sur laquelle nos simulations sont distribuées en utilisant des techniques novatrices pour la prise en compte de l'état de la grille de calcul. Les temps nécessaires pour la simulation d'une radiothérapie utilisant des électrons ont été réduits jusqu'à un facteur 30. Une plate-forme web basée sur le portail GENIUS a été développée pour rendre accessible de façon simple toutes les modalités de soumission et de gestion des simulations ainsi que la gestion de données médicales (informations sur les patients, images CT, IRM...) sur les ressources de la grille. L'objectif final visé est de faire de GATE un outil fiable et utilisé en clinique pour des planifications de traitements de radiothérapie avec des temps de calculs acceptables (pas plus de 12 heures de calcul).

L'étude des effets biologiques des radiations ionisantes à l'échelle de la cellule individuelle et en particulier sur l'ADN du noyau cellulaire reste un enjeu majeur de la radiobiologie actuelle. L'objectif principal des recherches actuelles est de déterminer quels peuvent être les effets biologiques délétères des radiations ionisantes pour la santé humaine, en particulier dans le domaine des faibles doses de radiation. Afin d'étudier précisément la réponse des cellules aux radiations ionisantes, de nombreuses études expérimentales des effets des radiations ionisantes sur les cellules, tissus et organismes biologiques aux basses énergies ont accumulées de grandes quantités de données de qualité sur la réponse de cellules aux radiations. Il existe également de nombreux modèles semi-empiriques de survie cellulaire qui incorporent des paramètres biologiques et physiques. En parallèle, des stochastiques basées sur la technique " Monte Carlo " pour modéliser les processus élémentaires en physique, chimie et biologie sont en cours de développement. L'outil Geant4 développé dès 1993 (CERN et KEK) en utilisant des techniques informatiques de dernière génération (C++) permet à l'utilisateur de construire une simulation complète grâce à de nombreuses fonctionnalités : formes géométriques, matériaux, particules élémentaires, processus physiques électromagnétiques et hadroniques, visualisation, analyse de données, interactivité et extensibilité... Cependant, Geant4 présente un certain nombre de limitations pour la simulation des effets biologiques des radiations ionisants à l'échelle subcellulaire : les modèles standard ne prennent pas compte le technique " pas-à-pas ", les modèles physique sont limités à basse énergie, il n'a pas des descriptions des cibles moléculaires et Geant4 n'est pas capable de simuler les étapes physico-chimique et chimique nécessaire pour déterminer l'oxydation des bases et les éventuelles cassures d'ADN.Dans ce contexte, le projet Geant4-DNA propose d'étendre Geant4 afin de modéliser les interactions des radiations ionisantes à l'échelle de la cellule biologique et la molécule d'ADN et aux basses énergies. Au cours du travail de thèse, j'ai tout d'abord validé les modèles physiques en comparant les résultats de simulation à une grande collection de données expérimentales disponibles dans la littérature. L'accord entre les valeurs de sections efficaces totales et différentielles et les mesures expérimentales a été quantifié à l'aide du test statistique Kolmogorov-Smirnov. J'ai par la suite amélioré les classes des processus de diffusion élastique des électrons et travailler sur les calculs théoriques du modèle de diffusion élastique des protons et des alphas dans l'eau liquide auparavant inexistant dans Geant4-DNA. J'ai effectué une combinaison des processus multi-échelles des modèles de Geant4-DNA (à l'échelle microscopique) avec les modèles électromagnétiques disponibles dans l'outil Geant4 (les processus d'interaction des photons et autres modèles de Geant4). A la fin de mon travail, j'ai participé à l'estimation des performances de Geant4-DNA pour la dosimétrie dans des géométries de petite taille (jusqu'à l'échelle du nanomètre) dans l'eau liquide à l'aide des distributions " Dose Point Kernel ". J'ai ensuite calculé les fréquences de dépôts d'énergie dans des petits cylindres de dimensions nanométriques correspondant à des cibles biologiques et des modèles de noyau cellulaire humain simplifié pour l'estimation des cassures directes simple et double. Mon travail de thèse a fournit les premiers résultats de Geant4-DNA pour la prédiction de cassure de brin d'ADN combinant physique et géométries à l'échelle de l'ADN. Enfin, nous avons développé des classes de processus et modèles basés sur l'approche CTMC-COB (Classical Trajetory Monte Carlo avec critère d'Over Barrier) spécifique aux bases de la molécule d'ADN et à l'eau liquide.

To study electron emissions and dark currents in the accelerating structures in particle colliders, a test facility with a spectrometer has been constructed at CERN. This spectrometer has been simulated in the C++ toolkit GEANT4 and in this project the simulation has been improved to handle new realistic input data of the emitted electrons. The goal was to find relations between where the electrons are emitted inside the accelerating structure and the energy or position of the particles measured by the spectrometer. The result was that there is a linear relation between the initial position of the electrons and the width in the positions of the particles measured by the spectrometer. It also appears to be a relations between energy the emitted electrons get in the accelerating structure, which is related to the position, and the energy they deposit in the spectrometer. Further studies where the simulations are compared with real measurement data are required to determine whether these relations are true or not, find better reliability in the relations and get a better understanding of the phenomena.

A back scatter time of flight neutron spectrometer consisting of two scintillation detectors is simulated in Geant4 to examine whether it is possible to perform a proof of concept test at the NESSA facility at Uppsala University. An efficiency of ε = 2.45 · 10^-6 is shown to be large enough for a neutron generator intensity of 1.9 · 10^10 neutrons per second to achieve a minimal required signal count rate of 10000 counts per hour. A corresponding full width at half maximum energy resolution of 8.3% is found. The background in one of the detectors is simulated in MCNP and found to be a factor 62 larger than the signal for a given set of pulse height thresholds in the detectors. Measures to increase the signal to background ratio are discussed and an outlook for future work concerning testing the spectrometer at NESSA is presented.

Cette thèse de doctorat a pour cadre l’expérience CMS auprès du grand collisionneur de protons du CERN, le LHC. Le LHC, qui a permis la découverte en 2012 du boson de Brout-Englert-Higgs, est destiné à fonctionner pour encore 20 ans, avec une luminosité qui croîtra progressivement pour atteindre d’ici 2025 la valeur de 7.5 x 10^34 cm^-2 s^-1, c'est à dire environ cinq fois la valeur initialement prévue. Ceci a pour conséquence que les expériences doivent s’adapter et mettre à niveau une série de leurs composants et détecteurs. Une des prochaines mises à niveau de l’expérience CMS concerne les détecteurs Triple Gas Electron Multiplier (GEM) qui sont actuellement en développement pour la partie avant du spectromètre à muons de l’expérience. Ces détecteurs seront installés dans CMS durant le deuxième long arrêt du LHC, en 2018-2019, appelé LS2. Cette mise à niveau a pour but de contrôler les taux de déclenchement d’événements pour la détection de muons, grâce à la haute performance de ces détecteurs Triple GEM en présence de taux de particules extrêmement élevés (>1 kHz/cm^2). De plus, grâce à sa très bonne résolution spatiale (~250 um), la technologie GEM peut améliorer la reconstruction des traces de muons et la capacité d’identification du détecteur avant.Le but de mon travail de recherche est d’estimer la sensitivité des Triple GEMs à l’environnement de radiation hostile dans CMS, essentiellement composé de neutrons et de photons produits lors des interactions entre les particules et les détecteurs constituant l’expérience CMS. L’estimation précise de cette sensitivité est très importante, car une sous-estimation pourrait avoir des effets désastreux pour l’efficacité des Triple GEMs une fois installés dans CMS. Pour valider mes simulations, j’ai également reproduit des résultats expérimentaux obtenus avec d’autres détecteurs similaires déjà installés dans CMS, tels que les Resistive Plate Chambers (RPC).La deuxième partie de mon travail concerne l’étude de la capacité de l’expérience CMS à discerner différents modèles de nouvelle physique prédisant l’existence de bosons vecteurs, appelés Z'. Ces modèles font partie des extensions plausibles du Modèle Standard. En particulier, l’analyse se concentre sur des simulations dans lesquelles le Z' se désintègre en deux muons, et sur l’impact que les mises à niveau avec les détecteurs Triple GEM apporteront à ces mesures tout le long de la phase de haute intensité du LHC. Mes simulations montrent que plus de 20% des événements simulés comptent au moins un muon dans la région en pseudo-rapidité (eta) de CMS couverte par les détecteurs Triple GEM. Les résultats préliminaires démontrent que, dans le case de modèles à 3 TeV/c^2, il sera possible dès la fin de la Phase I de distinguer un Z'I d'un Z'SSM avec un niveau de signification alpha > 3 sigma. / This PhD thesis takes place in the CMS experiment at CERN's Large Hadron Collider (LHC). The LHC allowed the discovery of the Brout-Englert-Higgs boson in 2012, and is designed to run for at least 20 years, with an increasing luminosity that will reach by 2025 a value of 7.5 x 10^34 cm^-2 s^-1, that is a yield five times greater than the one initially intended. As a consequence, the experiments must adapt and upgrade many of their components and particle detectors. One of the foreseen upgrades of the CMS experiment concerns the Triple Gas Electron Multiplier (GEM) detectors, currently in development for the forward muon spectrometer. These detectors will be installed in CMS during the second long LHC shutdown (LS2), in 2018-2019. The aim of this upgrade is to better control the event trigger rate at Level 1 for muon detection, thanks to the high performance of these Triple GEM detectors, in presence of very high particle rates (>1 kHz/cm^2). Moreover, thanks to its excellent spatial resolution (~250 um), the GEM technology can improve the muon track reconstruction and the identification capability of the forward detector.The goal of my research is to estimate the sensitivity of Triple GEMs to the hostile background radiation in CMS, essentially made of neutron and photons generated by the interaction between the particles and CMS detectors. The accurate evaluation of this sensitivity is very important, as an underestimation could have ruinous effects of the Triple GEMs efficiency, once they are installed in CMS. To validate my simulations, I have reproduced experimental results obtained with similar detectors already installed in CMS, such as the Resistive Plate Chambers (RPC).The second part of my work regards the study of the CMS experiment capability to discriminate between different models of new physics predicting the existence of neutral vector bosons called Z'. These models belong to plausible extensions of the Standard Model. In particular, the analysis is focused on simulated samples in which the Z' decays in two muons, and on the impact that the Triple GEM detectors upgrades will bring to these measurements during the high luminosity phase of the LHC, called Phase II. My simulations prove that more than 20% of the simulated events see at least one muon in the CMS pseudo-rapidity (eta) region covered by Triple GEM detectors. Preliminary results show that, in the case of 3 TeV/c^2 models, it will be possible already at the end of Phase I to discriminate a Z'I from a Z'SSM with a significance level alpha > 3 sigma. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

ALTO is a project, currently in the research and development phase, with the goal of constructing a Very High Energy (VHE) gamma-ray observatory in the southern hemisphere. It will detect the particle content reaching the ground from the interactions of either VHE gamma rays or cosmic rays in the atmosphere known as extensive air showers. In this thesis, we use an ALTO prototype built at Linneaus University to estimate the vertical muon intensity in Växjö. The atmospheric muons we detect at ground level come from hadronic showers caused by a cosmic ray entering the atmosphere. Such showers are considered background noise in the context of VHE gamma-ray astronomy, and the presence of muons is an important indicator of the nature of the shower, and thus of the primary particle. The measurement is done by isolating events that produce signals in two small scintillation detectors that are part of the ALTO prototype, and are placed almost directly above each other. This gives us a data set that we assume represents muons travelling along a narrow set of trajectories, and by measuring the rate of such events, we estimate the muon intensity. We estimate the corresponding momentum threshold using two different methods; Monte Carlo simulation and calculation of the mean energy loss. The vertical muon intensity found through this method is about 21% higher than commonly accepted values. We discuss some possible explanations for this discrepancy, and conclude that the most likely explanation is that the isolated data set contains a significant number of “false positives”, i.e., events that do not represent a single muon following the desired trajectory.