Published September 29, 2014 | Version v1
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Development of pixel Micromegas detectors for high particle flux and diffractive processes' contribution to hadron leptoproduction at COMPASS

Description

This thesis is dedicated to the development and characterisation of a new generation of Micromegas (MICROMEsh Gaseous Structure) detectors for the COMPASS experiment at CERN, and the estimation of the diffractive processes' contribution to the production of pions and kaons, concerning the study of the quark fragmentation functions into hadrons at COMPASS. New Micromegas detectors with a 40 * 40 cm2 active area are being developed for the future physics program of the COMPASS experiment starting in 2015. These detectors will have to work in high muon and hadron flux (close to 8 MHz/cm2). In this context, a central area of about 5 cm diameter, crossed by the beam, will be composed of 1280 pixels, and discharge-reduction technologies will be used. Four prototypes with a final read-out geometry, using two different discharge-reduction technologies have been produced at CERN and studied in nominal conditions at COMPASS between 2010 and 2012. Three are hybrid detectors using a GEM (Gas Electron Multiplier) foil as a preamplification stage to reduce the discharge probability. The other is equipped with a so called 'buried resistors' resistive structure allowing to strongly reduce the discharge amplitude. Their performances are presented in this thesis. The impact of these results on the production and implementation of the final series of detectors is also discussed. Quark fragmentation functions into hadrons describe the hadronization of a quark of flavor q into a hadron h. These universal functions take part in the cross-section expression of several processes. They can be accessed at COMPASS via semi-inclusive deep inelastic scattering of muons off nucleons. The relevant observables for fragmentation function extraction are hadron multiplicities, corresponding to the mean number of hadrons produced per deep inelastic scattering event. Vector mesons produced by a diffractive process can decay into pions and kaons. As such processes do not involve quark hadronization, they should a priori be excluded from multiplicity measurements. This work presents a Monte-Carlo study of the impact of diffractive rho and phi production on light hadrons and inclusive events yields. Multiplicity correction factors are finally established. The effect of this correction on the extraction of pion fragmentation functions is also discussed. (author)

Abstract (French)

Le travail presente dans cette these porte d'une part sur le developpement et la caracterisation d'une nouvelle generation de detecteurs Micromegas (MICROMEsh GAseous Structure) pour l'experience COMPASS au Cern, et d'autre part sur l'estimation de la contribution de canaux diffractifs a la production de pions et de kaons, dans le cadre de l'etude des fonctions de fragmentation de quarks en hadrons a COMPASS. De nouveaux detecteurs Micromegas d'une surface active de 40 * 40 cm2 sont en cours de developpement pour le futur de l'experience COMPASS, a partir de 2015. Ces detecteurs devront fonctionner dans des flux de muons et hadrons approchant 8 MHz/cm2. Pour cela, une zone centrale d'environ 5 cm de diametre, traversee par le faisceau, sera constituee de 1280 pixels, et des technologies permettant de fortement reduire l'impact des decharges seront adoptees. Quatre prototypes de geometrie finale utilisant deux types de technologies de reduction des decharges differentes ont ete produits au Cern et testes en conditions reelles a COMPASS entre 2010 et 2012. Trois d'entre eux sont des detecteurs hybrides utilisant une feuille GEM (Gas Electron Multiplier) en tant qu'etage de preamplification pour reduire la probabilite de decharge. Le dernier detecteur est equipe d'une structure resistive a 'resistances enterrees', permettant la reduction de l'amplitude des decharges. Leurs performances sont presentees dans cette these. L'impact de ces resultats sur la production et la mise en oeuvre de la serie finale de detecteurs est egalement discute. Les fonctions de fragmentation de quarks en hadrons l'hadronisation d'un quark de saveur q en un hadron h. Ces fonctions universelles interviennent dans l'expression de la section efficace de nombreux processus. Elles sont accessibles a COMPASS via la reaction de diffusion profondement inelastique semi-inclusive de muons sur des nucleons. Les observables permettant leur extraction dans ce cadre sont les multiplicites de hadrons, soit le nombre moyen de hadrons produits par evenement de diffusion profondement inelastique. Les mesons vecteurs issus de processus diffractifs produisent egalement des pions et kaons par leur desintegration. Ces processus n'impliquant pas l'hadronisation d'un quark, il semble justifie de ne pas les comptabiliser dans la mesure des multiplicites. Ce travail propose une etude Monte-Carlo des contributions de la production diffractive de mesons vecteurs rho et phi a la production de hadrons leger et aux evenements inclusifs. Des facteurs de correction des multiplicites sont finalement etablis. Enfin, l'effet de cette correction sur l'extraction des fonctions de fragmentation en pions est presente

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Original title (French)
Developpement de detecteurs Micromegas pixellises pour les hauts flux de particules et evaluation de la contribution diffractive a la leptoproduction de hadrons a COMPASS

Publishing Information

Imprint Pagination
194 p.
Report number
FRCEA-TH--7112

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Notes
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