Fakhri A. KHAN - Faculté des Sciences

Titre de la thèse: "The CMS HGCAL Front-End design, characterization and implementation"
Résumé:
Le Calorimètre à Haute Granularité (HGCAL) constitue une mise à niveau majeure du détecteur Compact
Muon Solenoid (CMS) pour la phase Haute Luminosité du Grand Collisionneur de Hadrons (HL-LHC).
Il est conçu pour fonctionner dans des conditions extrêmes de haute radiation, de flux de particules intenses
et de densité de chevauchement (pileup) sans précédent. Cette thèse présente le développement,
l’optimisation et la validation complets de l’électronique de lecture en amont (front-end) du HGCAL,
avec un accent particulier sur les Hexaboards, des circuits imprimés multicouches complexes servant de
carte de lecture pour les modules à capteurs en silicium.
Les travaux de recherche menés englobent l’ensemble du cycle de conception des Hexaboards à basse
densité (LD) et à haute densité (HD), depuis la phase de conceptualisation jusqu’au prototypage itératif,
à l’optimisation des performances et à la validation système. Une approche systématique combinant des
simulations de l’électronique frontale et des tests expérimentaux a permis d’améliorer significativement la
stabilité électronique, l’intégrité du signal et la suppression du bruit. Grâce à ces itérations successives, le
bruit électronique a été réduit d’environ 40 unités ADC à 1.5 unités ADC (soit environ 1900 électrons pour
une capacité détecteur de 47pF), soit une réduction de plus d’un facteur 10, tandis que le rapport signal
sur bruit (S/N) a été amélioré d’un facteur 10. Par conséquent, les performances atteignent les exigences
strictes définies dans le rapport de conception technique (TDR) du HGCAL. Des tests en faisceau menés
au Super Synchrotron à Protons (SPS) du CERN ont validé les performances du module Hexagonal en
silicium, confirmant ainsi que la conception des Hexaboards satisfait aux spécifications requises. Les
résultats démontrent une grande fiabilité ainsi qu’une résolution précise en charge et en temps.
Parallèlement, cette thèse explore les performances temporelles des modules en silicium du HGCAL
via le développement d’un système de test basé sur un laser, permettant une injection de charge précise et
des mesures de temps d’arrivée (TOA) à haute résolution. Les études temporelles, prenant en compte les
variations de température, le jitter électronique et les effets de time-walk, ont permis de définir des calibrations
essentielles à l’optimisation de la reconstruction d’événements en régime de haute luminosité.
L’intégration de ces paramètres temporels dans les simulations physiques du HGCAL a permis d’évaluer
leur impact sur l’efficacité de reconstruction des hadrons neutres et des photons, garantissant ainsi des
stratégies robustes de mitigation du pileup. Cette thèse documente de manière exhaustive le développement,
l’optimisation et la validation du système de lecture du CMS HGCAL, fournissant une base solide
pour son déploiement à l’ère du HL-LHC.