Future linear colliders detector r&d, jet reconstruction and top physics potential

Resumen

Durante el siglo XX, los descubrimientos de nuevas partículas y las medidas realizadas en los colisionadores, junto con el progreso de la física teórica, nos permitieron formular el Modelo Estándar (SM) de las interacciones entre los constituyentes de la materia. El descubrimiento del bosón de Higgs en el LHC fue un gran paso en nuestra compren- sión de las interacciones fundamentales de la naturaleza y la estructura de la materia descrita por el Modelo Estándar. Con el fin de establecer el mecanismo de ruptura de simetría electrodébil, todas las propiedades del bosón de Higgs (masa, acoplamientos, amplitud de desintegración, espín) deben medirse con precisión. El LHC tiene excelentes perspectivas para los futuros períodos de funcionamiento 2 y 3 donde los haces protón-protón chocan con una energía de √s = 13 TeV desde mayo de 2015. En la década siguiente el LHC funcionará a una mayor luminosidad, conocido como el HL-LHC. A pesar de ello, se necesitan colisionadores e+e− para probar definitivamente la teoría electrodébil con una precisión sin precedentes. Un colisionador de leptones de alta energía también ofrece un programa de física muy interesante. Los colisionadores e+e− de alta energía ya han sido instrumentos esenciales en el pasado para buscar los componentes fundamentales de la materia y estudiar sus interacciones. Hoy en día, el diseño más avanzado para un futuro colisionador es el International Linear Collider (ILC), que está configurado para un rango de energía de centro de masa de √s = 250 - 500 GeV (ampliable a 1 TeV) . Una segunda propuesta, algo menos avanzada y más ambiciosa que el ILC, es el Compact Linear Collider (CLIC), un comisionado e+e- que alcanzaría energías de varios TeV. Este se basa en una técnica de aceleración de dos haces que proporcionaría colisiones e+e− de alta luminosidad cubriendo un rango de energías en centro de masas de 380 GeV a 3 TeV. Esta tesis esta formada por tres partes complementarias. La primera está dedicada al I+D del concepto de detector para futuros colisionadores e+e− llamado International Large Detector (ILD), en particular, está dedicada a la región más interna del detector. En ella se ha llevado a cabo la caracterización termomecánica de sensores de silicio ultra finos y se ha diseñado y caracterizado un primer prototipo de FTD en fibra de carbono. Además, se demuestra la viabilidad de utilizar micro circuitos integrados de refrigeración en los sensores activos de silicio. El programa de física de precisión programado para futuros colisionadores requiere de excelentes detectores, pero también exige los mejores algoritmos de reconstrucción. En la segunda parte de la tesis la reconstrucción de jets5 es estudiada a diferentes energías en centro de masa y un nuevo algoritmo de reconstrucción secuencial de jets, llamado VLC, es propuesto para hacer frente a los altos niveles de fondo γγ → hadrones esperados en ILC y CLIC. La última parte se centra en el potencial de los futuros colisionadores para estudiar la física del quark top. En esta parte de la tesis demuestro que ambos proyectos pueden poner limites a los acoplamientos electrodébiles del quark top, tanto los que violan la simetría CP como los que no, del orden del %. En una simulación completa del detector he estudiado el potencial de un colisionador e+e− con haces polarizados, una luminosidad integrada de 500 fb−1 y energías de centro de masa de √s = 500 GeV para ILC o √s = 380 GeV para CLIC. La sensibilidad a la nueva física es un orden de magnitud superior con respecto a lo que se espera del LHC.