Study of Triple-GEM detector for the upgrade of the CMS muon spectrometer at LHC

This doctoral thesis is part of the upgrade of the CMS experiment at the Large HadronCollider of CERN, the LHC. CMS, together with the ATLAS experiment, led to thediscovery of the Brout-Englert-Higgs boson in 2012. But the LHC research program isnot over yet. Indeed, the LHC is intended to operate even at least 20 more years. Duringthis period, the luminosity will grow gradually up to five times its nominal value of 10 34cm −2 s −1 initially foreseen. This increase in luminosity requires the LHC experiments,like CMS, to upgrade their detectors as well as their data acquisition system. One of thenext major CMS upgrade is the addition of a new detector layer in the forward muonspectrometer of CMS. The technology that has been chosen by the CMS collaborationfor this upgrade is the Triple Gas Electron Multiplier (Triple-GEM) technology. Thisupgrade aims to maintain the trigger performance despite the increasing rate of particles(> 1 kHz/cm 2 ) and will also improve the reconstruction of muons tracks, thanks to aexcellent spatial resolution (∼ 250 μm). It is the study and characterization of thistechnology that is the subject of this thesis.This characterization of the Triple-GEM detectors starts with a detailed study of thetime resolution. This study has been performed using different Monte Carlo simulationslike GARFIELD, and has demonstrated that the Triple-GEM detectors equipped withthe new VFAT3 electronics (developed for this upgrade) fulfill the requirements for theCMS upgrade.Then we have studied different detector prototypes. First, we have built two small 10×10cm 2 prototypes and developed a test bench at the ULB laboratory. This test bench hasallowed us to study another important parameter of the Triple-GEM detectors: the gain.Later, we also had the opportunity to take part in the data taking and analysis of a testbeam campaign at CERN. The analysis of the data of this test beam is also presentedin detail.The last part of this work concerns the study of the spatial resolution. We have estimatedthe spatial resolution of the Triple-GEM detector equipped with a binary electronics byMonte Carlo simulations as well as analytically. This study has been extended to otherdetector technologies like the Micromegas and the silicon sensors.Cette th`ese de doctorat s’inscrit dans le cadre de la mise `a niveau de l’exp ́erience CMSaupr`es du grand collisionneur de protons du CERN, le LHC. CMS, avec l’exp ́erienceATLAS, a permis la d ́ecouverte du boson de Brout-Englert-Higgs en 2012. Mais leprogramme de recherche du LHC n’est pas pour autant termin ́e. En effet, le LHC estdestin ́e `a fonctionner encore au moins 20 ans. Pendant cette p ́eriode, la luminosit ́e vacroˆıtre progressivement jusqu’`a atteindre environ cinq fois la valeur nominale de 10 34cm −2 s −1 initialement pr ́evue et ce d’ici 2025. Cette augmentation de luminosit ́e pousseles exp ́eriences du LHC, comme CMS, `a mettre `a jour les d ́etecteurs ainsi que leurssyst`emes d’acquisition de donn ́ees. Une des prochaines mises `a niveau majeures deCMS est l’addition d’une nouvelle couche de d ́etection dans le spectrom`etre `a muonvers l’avant. La technologie de d ́etection qui a ́et ́e choisie par la collaboration CMS estla technologie des Triple Gas Electron Multiplier (Triple-GEM). Cette mise `a niveaua pour but de maintenir les performances du syst`eme de d ́eclenchement et ce malgr ́el’augmentation de taux de particules (> 1 kHz/cm 2 ) et de permettre ́egalement, grˆacea la tr`es bonne r ́esolution spatiale des Triple-GEM (∼ 250 μm), l’am ́elioration de la re-construction des traces de muons. C’est l’ ́etude des caract ́eristiques de cette technologiequi est le sujet de cette th`ese.Cette caract ́erisation des d ́etecteurs Triple-GEM commence par une ́etude d ́etaill ́ee de lar ́esolution temporelle. Cette ́etude a ́et ́e r ́ealis ́ee `a l’aide de diff ́erentes simulations MonteCarlo telles que GARFIELD et a permis de montrer que les Triple-GEMs ́equip ́es de lanouvelle ́electronique VFAT3 (sp ́ecifiquement d ́evelop ́ee pour les Triple-GEMs) remplis-sent les conditions pour la mise `a niveau de CMS.Nous avons ensuite ́etudi ́e diff ́erents prototypes. Tout d’abord nous avons construit deuxpetits (10 × 10 cm 2 ) prototypes de Triple-GEM et d ́evelop ́e un banc de test au sein dulaboratoire de l’ULB. Ce banc de test nous a permis d’ ́etudier un autre param`etre impor-tant des d ́etecteurs Triple-GEM: le gain. Au cours de cette th`ese nous avons ́egalementparticip ́e `a la prise de donn ́ees et `a l’installation de diff ́erents tests en faisceau au CERN.L’analyse des donn ́ees du test en faisceaux d’octobre 2014 est aussi pr ́esent ́ee en d ́etail.La derni`ere partie de ce travail concerne l’ ́etude de la r ́esolution spatiale. Nous avonsestim ́e la r ́esolution spatiale par simulation de Monte Carlo ainsi que de mani`ere an-alytique pour des d ́etecteurs GEM munis d’une ́electronique binaire. Cette ́etude a ́egalement ́et ́e g ́en ́eralis ́ee `a d’autres d ́etecteurs tels que les Micromegas ou encore lescapteurs au silicium.Doctorat en Sciences