Semiconductor detectors are attracting interest for use in photon-counting spectral computed tomography. In order to obtain a high spatial resolution, it is of interest to find the photon interaction position. In this work we investigate if machine learning can be used to obtain a sub-pixel spatial resolution in a photon-counting silicon strip detector with pixels of 10 µm. Simulated charge distributions from events in one, three, and seven positions in each of three pixels were investigated using the MATLAB® Classification Learner application to determine the correct interaction position. Different machine learning models were trained and tested in order to maximize performance. With pulses originating from one and seven positions within each pixel, the model was able to find the originating pixel with an accuracy of 100% and 88.9% respectively. Further, the correct position within a pixel was found with an accuracy of 54.0% and 29.4% using three and seven positions per pixel respectively. These results show the possibility of improving the spatial resolution with machine learning. / Halvledardetektorer är av stigande intresse inom forskning för användning i fotonräknande datortomografi med spektral upplösning. För att erhålla en hög spatiell upplösning är det av intresse att hitta fotonens ursprungliga interaktionsposition. I detta arbete undersöks om maskininlärning kan användas för att erhålla en spatiell upplösning på subpixelnivå i en fotonräknande kiselstrippdetektor med 10 µm pixlar. Laddningsfördelningen från simulerade interaktioner i en, tre, och sju positioner inom var och en av tre pixlar undersöktes med hjälp av applikationen Classification Learner i MATLAB® för att bestämma den korrekta interaktionspositionen. Olika maskininlärningsmodeller tränades och testades för att maximera prestandan. När pulser från en och sju positioner inom pixeln användes, kunde modellen hitta den korrekta pixeln med en noggrannhet på 100% respektive 88.9%. Vidare kunde den korrekta positionen inom en pixel bestämmas med en noggrannhet på 54.0% och 29.4% när tre respektive sju positioner inom varje pixel användes. Resultaten visar att det skulle vara möjligt att förbättra den spatiella upplösningen med hjälp av maskininlärning.

Cette thèse présente trois études différentes basées sur les données de CMS du Run 2. Les deux premières sont des mesures des propriétés des amas dans le trajectographe à pistes de silicium de CMS, liées respectivement aux particules hautement ionisantes (HIP) et au partage de charge entre les pistes voisines (également appelé diaphonie). Le dernier sujet abordé dans ce document est la recherche du partenaire supersymétrique du quark top, appelé stop. Une augmentation de l’inefficacité de reconstruction des hits dans le trajectographe à pistes de silicium de CMS a été observée au cours des années 2015 et 2016. Les particules hautement ionisantes ont été identifiées comme une cause possible de ces inefficacités. Cette thèse apporte des résultats qualitatifs et quantitatifs sur l’effet HIP et sa probabilité. Le HIP n’était pas la source la plus importante d’inefficacité et, une fois la source identifiée et corrigée, les nouvelles données révèlent qu’après cette correction, le HIP représente à présent la principale source d’inefficacité. La seconde étude présentée porte sur les conditions utilisées dans la simulation du trajectographe par CMS afin de fournir des résultats réalistes. Ces conditions changent avec les conditions de fonctionnement du trajectographe et évoluent avec le vieillissement du trajectographe résultant des dommages causés par le rayonnement. Nous avons constaté que les paramètres de diaphonie obsolètes avaient une grande incidence sur la forme de l’amas. Dans cette thèse, les paramètres ont été réévalués et il a été confirmé que les nouveaux paramètres améliorent grandement l’accord des amas entre données et simulation. La dernière partie décrit en profondeur la recherche de stop en utilisant les données collectées en 2016 (correspondant à ∫L = 35.9 fb−1) avec un lepton dans l’état final. Aucun excès n’a été observé par rapport aux prédictions attendues par le modèle standard et les résultats ont été interprétés en terme de limites d’exclusion sur des modèles simplifiés. / This thesis presents three different studies based on the CMS Run 2 data. The first two are measurements of the cluster properties in the CMS silicon strip tracker related respectively to the highly ionizing particles (HIP) and the charge sharing among neighboring strips (also known as cross talk). The last topic discussed in this document is the search for the supersymmetric partner of the top quark, called the stop. An increase in the hit inefficiency of the CMS silicon strip tracker was observed during the years 2015 and 2016. The highly ionizing particles were identified as a possible cause of these inefficiencies. This thesis brings qualitative and quantitative results on the HIP effect and its probability. The HIP was found not to be the largest source of inefficiency at that time and once the source was identified and fixed, the new data revealed that after this fix the HIP now represents the major source of the hit inefficiency. The second study presented in this thesis focuses on the conditions plugged in CMS tracker simulation in order to provide realistic results. These conditions change with the tracker operating conditions and also evolve with tracker ageing resulting from the radiation damage. We identified that the outdated cross talk parameters largely impact the cluster width and seed charge. In this thesis the parameters were remeasured and it was confirmed that the new parameters largely improve the agreement of clusters between data and simulation. The last part describes deeply the stop analysis using data recorded in 2016 (corresponding to ∫L =35.9 fb−1) with single lepton in the final state. No excess was observed in the full 2016 data (∫L = 35.9 fb−1) with respect to the standard model background predictions and therefore exclusion limits in terms of simplified model spectra were derived.

L'hadronthérapie est l'une des modalités disponibles pour traiter le cancer. Cette modalité utilise des ions légers (protons, ions carbone) pour détruire les cellules cancéreuses. De telles particules ont une précision balistique de par leur trajectoire quasi-rectiligne, leur parcours fini et le profil de dose maximum en fin de parcours, ce qui permet, par rapport à la radiothérapie conventionnelle, d'épargner les tissus sains situés à côté, en aval et en amont de la tumeur. L'un des enjeux de l'assurance qualité de cette modalité est le contrôle du positionnement de la dose déposée par les ions dans le patient. Une possibilité pour effectuer ce contrôle est d'observer les gammas prompts émis lors des réactions nucléaires induites le long du parcours des ions dans le patient. Un prototype de caméra Compton, permettant théoriquement de maximiser l'efficacité de détection des gammas prompts, est actuellement développé dans une collaboration régionale. Mon travail de thèse s'est axé autour de cette caméra et plus particulièrement sur les points suivants : i) étudier par les simulations Monte Carlo le fonctionnement du prototype en cours de construction, notamment en regard des taux de comptage attendus sur les différents types d'accélérateurs en hadronthérapie, ii) mener des études de simulation sur l'utilisation de cette caméra en imagerie clinique, iii) caractériser les détecteurs silicium du diffuseur, iv) confronter les simulations entreprises sur la réponse de la caméra avec des mesures sur faisceau à l'aide d'un démonstrateur. Il résulte que le prototype de caméra Compton développé rend possible un contrôle de la localisation du dépôt de dose en protonthérapie à l'échelle d'un spot, à condition que l'intensité clinique du faisceau de protons soit diminuée d'un facteur 200 (intensité de 108 protons/s). Une application de la caméra Compton en médecine nucléaire semble réalisable avec l'utilisation de radioisotopes d'énergie supérieure à 300 keV. Ces premiers résultats doivent être confirmés par des simulations plus réalistes (cibles de PMMA homogènes et hétérogènes). Des tests avec l'intégration progressive de tous les éléments de la caméra vont avoir lieu courant 2016 / Hadrontherapy is one of the modalities available for treating cancer. This modality uses light ions (protons, carbon ions) to destroy cancer cells. Such particles have a ballistic accuracy thanks to their quasi-rectilinear trajectory, their path and the finished profile maximum dose in the end. Compared to conventional radiotherapy, this allows to spare the healthy tissue located adjacent downstream and upstream of the tumor. One of this modality’s quality assurance challenges is to control the positioning of the dose deposited by ions in the patient. One possibility to perform this control is to detect the prompt gammas emitted during nuclear reactions induced along the ion path in the patient. A Compton camera prototype, theoretically allowing to maximize the detection efficiency of the prompt gammas, is being developed under a regional collaboration. This camera was the main focus of my thesis, and particularly the following points : i) studying, throughout Monte Carlo simulations, the operation of the prototype in construction, particularly with respect to the expected counting rates on the different types of accelerators in hadrontherapy ii) conducting simulation studies on the use of this camera in clinical imaging, iii) characterising the silicon detectors (scatterer) iv) confronting Geant4 simulations on the camera’s response with measurements on the beam with the help of a demonstrator. As a result, the Compton camera prototype developed makes a control of the localization of the dose deposition in proton therapy to the scale of a spot possible, provided that the intensity of the clinical proton beam is reduced by a factor 200 (intensity of 108 protons / s). An application of the Compton camera in nuclear medicine seems to be attainable with the use of radioisotopes of an energy greater than 300 keV. These initial results must be confirmed by more realistic simulations (homogeneous and heterogeneous PMMA targets). Tests with the progressive integration of all camera elements will take place during 2016