Browsing by Author "Chwastowski, Janusz"
Results Per Page
Sort Options
Item Energy Evolution of the Total Cross Section - Significance of the HERA γp Measurements(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2004) Chwastowski, JanuszItem Evidence of the Exclusive Jet Production Using the ATLAS Detector(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Erland, Paula; Chwastowski, Janusz; Trzebiński , Maciej; Ciborowski, Jacek; Łuszczak, Marta; Szumlak, TomaszPrawdopodobnie od początku swojej historii ludzie zaczęli zadawać pytania dotyczące ich otoczenia. Ta ciekawość prowadziła ludzkość przez wieki odkryć i innowacji. Wciąż jednak wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi. Wśród nich są bardzo podstawowe, takie jak te o początek Wszechświata lub o prawa nim rządzące. Jednym ze sposobów znalezienia odpowiedzi na pytania dotyczące natury naszego Wszech- świata jest badanie podstawowych składników materii. Można to zrobić za pomocą najpotężniejszych mikroskopów zbudowanych ludzką ręką – akceleratorów cząstek – i ich „oczu” – detektorów. Ogólną ideą działania takiej aparatury jest zderzanie przyspieszonych wiązek cząstek (np. elektronów, protonów, jonów) i mierzenie produktów takiego zderzenia. Obecnie, ze względu na złożoność tych urządzeń, badania prowadzone są we współpracy skupiającej fizyków z całego świata. Jednym z takich międzynarodowych laboratoriów jest CERN (Conseil Europ ́een pour la Recherche Nucl ́eaire), w którym znajduje się największy akcelerator dotychczas zbudowany przez człowieka – Wielki Zderzacz Hadronów (LHC). Akcelerator ten wraz z zainstalowanymi na nim detektorami umożliwia badanie różnych zjawisk pojawiających się w oddziaływaniach zderzają- cych się cząstek. Niniejsza praca opisuje badania dotyczące produkcji tzw. dżetów w przypadkach gdy jeden z oddziałujących protonów pozostaje nietknięty i może zostać zmierzony. Pierwszy rozdział zawiera wprowadzenie do Modelu Standardowego, który jest powszechnie używaną teorią opisującą cząstki elementarne i oddziaływania między nimi. Omówiona została również chromodynamika kwantowa – teoria opisująca oddziaływania kwarków i gluonów. W rozdziale można również znaleźć opis procesów dyfrakcyjnych, które są jednymi z możliwych typów oddziaływań podczas zderzeń proton-proton. Opisana została też pokrótce budowa protonu i Pomeronu. Na koniec opisany został główny temat pracy: proces dyfrakcyjnej i ekskluzywnej produkcji dżetów. Rozdział drugi zawiera informacje o strukturze Wielkiego Zderzacza Hadronów. Zrozumienie tej aparatury jest niezbędne, ponieważ ustawienia akceleratora LHC (tzw. optyka) wpływa na trajektorię protonów. Ich obecność jest jedną z cech procesów dyfrakcyjnych i ekskluzywnych. Opis detektora „A Toroidal LHC ApparatuS” (ATLAS) użytego w tej pracy do pomiaru dżetów, znajduje się w rozdziale 3. Natomiast w rozdziale 4 przedstawiono detektory „ATLAS Forward Proton” (AFP) dostarczające informacji o protonie rozproszonym do przodu. Rozdziały 3 i 4 są równie ważne, ponieważ dane zebrane przez rozważane detektory są wykorzystywane w niniejszej pracy. Po powyższej części wprowadzającej następuje Rozdział 5 zawierający szczegółowy opis analizy procesów pojedynczej dyfrakcyji w danych zebranych przez detektor ATLAS w 2017 roku. W pierwszej kolejności przedstawiono badania poświęcone doborowi najbardziej odpowiednich do tej analizy algorytmów triggerowych. Następnie przeprowadzone zostały studia obiektów zrekonstruowanych w detektorach ATLAS i AFP. Opisano cięcia na ich „dobrą jakość”, pokazano ich podstawowe właściwości w porównaniu z przewidywaniami generatora Monte Carlo oraz przedstawiono szczegóły selekcji przypadków pojedynczej dyfrakcji. W następnej części rozdziału szóstego zostały omówione dwie metody redukcji tła. Pierwsza wykorzystuje próbkę tła (zdominowaną przez dżety niedyfrakcyjne) do określenia regionów wzbogaconych w zdarzenia sygnałowe. Druga wprowadza cięcie na obecność klastrów w przednim obszarze kalorymetru. Obie metody zostały wykorzystane do selekcji przypadków. Na koniec przedstawiono efektywne przekroje czynne po zastosowaniu danych kryteriów selekcji. Średni przekrój czynny dla strony A i C wynosi odpowiednio 74.4 ± 9.0 nb oraz 81.1 ± 3.8 nb. Liczby te powinny być jednak traktowane z zachowaniem dużej rezerwy gdyż czystość próbki jest mała (zaledwie 10-20%). Ostatni rozdział skupia się na poszukiwaniach przypadków produkcji ekskluzywnych dżetów. Analizę oparto o metodę pojedynczego tagu protonu. Procesy ekskluzywnej produkcji dżetów nie były widoczne w danych z wyższą krotnością zderzeń proton-proton (pile-up, μ). W danych z małym pile-upem (μ ∼ 0.05) 101 zderzeń zostało zidentyfikowanych jako kandydaci na przypadki ekskluzywne. Widoczny przekrój czynny na produkcję ekskluzywnych dżetów został oszacowany na 1.56 ± 0.47 nb dla protonu tagowanego po stronie A oraz 1.9 ± 0.2 nb gdy proton jest po stronie C. Otrzymany wynik jest zgodny z przewidywaniami Monte Carlo. Techniczne aspekty wybranych analiz wykonanych w trakcie mojego doktoratu zostały opisane w dodatkach. W Dodatku A przedstawiono badania wykonane dla detektorów AFP Silicon Tracker (SiT). Ich celem było opracowanie algorytmu wyszukiwania martwych, mało wydajnych lub gorących pikseli. Wydajność tych algorytmów przedstawiono w niniejszym dodatku. W dodatku B omówiono działanie algorytmu tiggerowego do zastosowania w selekcji ekskluzywnej produkcji dżetów. Idea algorytmu polega na porównaniu położenia protonu przewidywanego na podstawie kinematyki układu dwu-dżetowego w centralnym detektorze z położeniem protonu zarejestrowanego w detektorze AFP. Podczas badań przeanalizowano różne scenariusze optyki LHC, a także możliwe ulepszenia działania triggera. Dodatek C zawiera badania poświęcone działaniu algorytmów triggerowych wyszukujących przypadki zawierające dżety i protony “do przodu”. Obliczono efektywności algorytmów dostępnych podczas zbierania danych w 2017 r. Efektywności zostały przeanalizowane w zależności od czasu, pędu poprzecznego wiodącego dżetu i strat energii protonów. Ponadto pokazano tzw. „dead-time effect” dla triggerów AFP. Very early in human history, people started to ask questions concerning their surroundings. This curiosity lead mankind thru the ages of discoveries and innovations. Still, many questions remain unanswered. Among them are very basic ones, like how the Universe started or what are its fundamental components. One way to find the answers to questions about the nature of our Universe is to study basic constituents of matter. This can be done using the most powerful microscopes human-build so far – the particle accelerators – and their eyepieces – the particle detectors. Their general principle of operation is to collide accelerated bunches of particles (e.g. electrons, protons, ions) and detect products of such a collision. Nowadays, due to the complexity of these devices, studies are carried out by collaborations gathering physicists from all around the world. One such laboratory is CERN (Conseil Europ ́een pour la Recherche Nucl ́eaire) hosting the largest and the highest energy human-build accelerator – the Large Hadron Collider (LHC). This accelerator and its detectors allow studies of various phenomena observed in the interactions of colliding particles. This thesis describes one class of such processes: the production of jets in cases one interacting proton survives and can be measured. The first Chapter introduces basics of the Standard Model, a commonly accepted theory describing elementary particles and interactions between them. It discusses also Quantum Chromodynamics (QCD) – a theory describing interactions of quarks and gluons. In this chapter one can also find the description of diffractive processes followed by a brief discussion on the structure of a proton and Pomeron. Finally, the main subject of this thesis, the processes of Single Diffractive Di-Jet (SD JJ) is described. The second Chapter provides information about the structure of the Large Hadron Collider. Its understanding is essential since the LHC accelerator settings (the so-called machine optics) influence the scattered forward proton trajectory. The presence of the forward protons is one of the features of the diffractive or exclusive events. A brief description of “A Toroidal LHC ApparatuS” (ATLAS) detector, which is used for the jet measurement, is given in Chapter 3. Chapter 4 introduces the ATLAS Forward Proton detectors (AFP) providing information concerning the forward scattered proton. Both Chapters 3 and 4 are equally important since the data collected by the considered detectors are used in the present work. The above introductory part is followed by Chapter 5 containing the description of the analysis of the Single Diffractive Jet processes. First, the studies dedicated to the selection of triggers most suitable for this analysis are presented. Next, the properties of objects reconstructed in ATLAS and AFP are studied. The selection on their “quality” is described. Their basic properties in comparison to the Monte Carlo sample are shown and the details on standard SD JJ cuts are presented. These studies are followed by an exploration of background subtraction methods. The first one uses the background sample (triggered by a random trigger, expected to be dominated by non-diffractive jets) to determine the regions enriched in signal events. The second method introduces the gap-like cut on the presence of clusters in the forward calorimeter region. Both methods are then applied in the analysis. Finally, the visible cross-section is presented for all studied data sets after each selection step. The average visible cross-section for sides A and C is 74.4 ± 9.0 nb and 81.1 ± 3.8 nb, correspondingly. These numbers should be, however, treated with great caution since the purity of considered samples is low an between 10-20%. The last chapter focuses on searches of the exclusive jet processes in the low-μ 2017 data. The analysis uses the single tag method. The presence of the exclusive events was not evident in data taken with higher pile-up conditions. However, in the sample recorded with the smallest pile-up (0.05), 101 events were determined as candidates. The event displays were presented for the most interesting cases. The visible cross-section for the production of exclusive di-jets to be 1.56 ± 0.47 nb for the A side proton tag and 1.9 ± 0.2 nb for the C side one. The results are in a good agreement with Monte Carlo predictions. In the appendixes, a few technical aspects of the analyses done during my PhD are described. Appendix A presents the studies performed for the AFP Silicon Tracker detectors (SiT). The goal of this work was to develop an algorithm for searches of low-efficiency, dead and hot pixels. The performance of these algorithms is presented. In Appendix B, the performance of the AFP exclusive jet trigger algorithm is discussed. The algorithm was designed to enable an efficient registration of the exclusive jet processes. The idea of the algorithm is to compare the proton position predicted from the di-jet system kinematics in the central detector to that of the proton registered in the AFP. During the study, various scenarios of the LHC optics were analysed as well as the possible improvements of the trigger performance (e.g. studying the trigger efficiency with various radii of acceptance). Appendix C contains studies dedicated to the performance of AFP jet trigger algorithms. The efficiencies of such triggers available during 2017 data taking are calculated. The efficiencies are analysed in dependence on time, the leading jet transverse momentum and proton energy loss. In addition, the dead-time effect for AFP triggers is described.Item Hadronic final states in diffractive pp scattering at √s=13 TeV using the ATLAS detector(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Science, 2019) Czekierda, Sabina; Chwastowski, Janusz; Staszewski, Rafał; Ciborowski, Jacek; Szumlak, TomaszNiniejsza praca doktorska jest poświęcona badaniom rozkładów cząstek naładowanych produkowanych w oddziaływaniach dyfrakcyjnych proton-proton zachodzących na akceleratorze LHC. Jedną z sygnatur takich oddziaływań jest nietknięty, lecz spowolniony proton poruszający się w przód pod bardzo małym kątem względem osi wiązki, tzw. proton rozproszony dyfrakcyjnie W danych użytych w tej pracy protony dyfrakcyjne były rejestrowane przez specjalnie do tego celu skonstruowane detektory AFP, stanowiące jeden z poddetektorów eksperymentu ATLAS. Zostały one zainstalowane w tunelu LHC w 2016 roku. Analiza przeprowadzona w niniejszej pracy jest oparta na danych o scałkowanej świetlności wynoszącej około 51 nb-1, pochodzących z oddziaływań proton--proton zachodzących przy energii w układzie środka masy równej 13 TeV. Zostały one zebrane podczas jednego z tzw. runów w 2017 roku. Warto podkreślić, że jest to pierwsza analiza fizyczna wykorzystująca dane zebrane przez detektory AFP. W tej rozprawie zmierzono rozkłady cząstek naładowanych produkowanych w centralnej części detektora ATLAS. Rozkłady te przedstawiają krotności produkowanych cząstek, ich pędy poprzeczne oraz zmienną pseudorapidity, mówiącą o rozkładzie kątowym cząstek. Domyślny obszar, w którym mierzone są rozkłady cząstek, odpowiada względnej stracie energii protonu dyfrakcyjnego wynoszącej 3,5 - 8%. Dodatkowo zakres ten został podzielony na trzy podobszary równej szerokości, w których również zostały zmierzone wspomniane wcześniej rozkłady cząstek. W analizie akceptowano przypadki, w których wymagano, aby pęd poprzeczny cząstki był większy od 500 MeV i by wartość bezwzględna pseudorapidity była mniejsza niż 2,5. Zmierzone rozkłady zostały poprawione ze względu na obecność tła. Zastosowano również poprawki związane z efektywnością rekonstrukcji wierzchołków i śladów oraz akceptancją detektorów. Przewidywania dwóch modeli oddziaływań: PYTHIA 8.2 i EPOS zostały porównane do danych.Item Luminosity measurement method for LHC: The theoretical precision and the experimental challenges(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2006) Krasny, Mieczysław W.; Chwastowski, Janusz; Słowikowski, KlaudiuszItem Studies of Diffractive Jet-Gap-Jet Events using √s = 13.6 TeV ATLAS Data(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2025) Patel, Pragati; Chwastowski, Janusz; Trzebiński, Maciej; Ciborowski, Jacek; Łuszczak, Marta; Szumlak, TomaszZbadanie właściwości procesu produkcji układu dżet-przerwa-dżet jest bardzo interesujące zarówno z punktu widzenia eksperymentu jak i teorii. Po dokonaniu pierwszych obserwacji opartych o dane zgromadzone przez detektory CDF oraz D0 [4, 5] na akceleratorze Tevatron pomiar został przeprowadzony z wykorzystaniem danych zgromadzonych przez eksperymenty na LHC. Dla przykładu, pierwsza publikacja Współpracy ATLAS na ten temat oparta była o weto na obecność dżetu w tak zwanej przerwie w pseudopospieszności [6]. Z kolei Współpraca CMS opublikowała wynik pomiaru procesu tzw. dyfrakcyjnej produkcji dżet-przerwa- dżet [7]. Należy jednak nadmienić, że pomiary te, wykonane przy energiach w układzie środka masy 7 oraz 13 TeV, były obarczone dużą niepewnością. Ponadto, proces produkcji układu dżet-przerwa-dżet w procesie z podwójną wymianą Pomeronu, postulowany w Ref. [8], nie został nigdy zmierzony. Powyższe fakty stanowią mocną podstawę i motywację dla wykonania pomiaru procesu produkcji dżetów z przerwą w pseudopospieszności używając danych dostarczonych przez LHC przy energii zderzeń √s = 13.6 TeV. Analiza przestawiona w niniejszej dysertacji została oparta o dane zebrane pod- czas jednego ze specjalnych naświetlań detektora ATLAS na LHC wykonanych w 2022 roku. Ustawienia punktu pracy akceleratora skutkowały średnim prawdopodobieństwem oddziaływania proton-proton podczas przecięcia się wiązek na poziomie 0.05. Bazując na doświadczeniach z analizy danych zebranych przy energii 13 TeV, taki zestaw danych (w tym wypadku ATLAS run 428770) powinien zapewnić dużą czystość próbki. Dodatkowo scałkowana świetlność wynosząca prawie 30 nb−1 daje nadzieję na wykonanie obserwacji o dużej znaczności statystycznej. Sygnaturą procesu dżet-przerwa-dżet jest obecność co najmniej dwóch dżetów odseparowanych od siebie tak zwaną przerwą w pseudopospieszności. Eksperymentalnie, taka przerwa definiowana jest jako brak widocznej w detektorze aktywności (zrekonstruowanych śladów lub energii powyżej pewnego poziomu) w danym obszarze pseudopospieszności. W przypadku procesu dyfrakcyjnej produkcji dżet-przerwa-dżet sygnaturą jest dodatkowo obecność protonu rozproszonego pod małym kątem. Proton taki po oddziaływaniu poruszą się wewnątrz rury próżniowej akceleratora i może zostać zarejestrowany przy użyciu dedykowanych detektorów. W niniejszym przypadku są to detektory ATLAS Forward Proton (AFP). Niniejsza rozprawa została skomponowana w następujący sposób. Pierwszy rozdział stanowi krótkie wprowadzenie do chromodynamiki kwantowej potrzebnej do zrozumienia procesu produkcji dżetów z przerwą w pseudopospieszności. Rozdział 2 zawiera krótki opis akceleratora LHC, który dostarczył danych do omawianego pomiaru. Szczególny nacisk został położony na opis otoczenia punktu oddziaływania eksperymentu ATLAS, który jest kluczowy do zrozumienia kinematyki rozproszonych protonów. Rozdział ten zawiera również opis aparatury użytej do pomiarów – detektora ATLAS. Oprócz zwyczajowego opisu „centralnej” części eksperymentu koniecznej do rekonstrukcji dżetów oraz przerwy w pseudopospieszności, obszerniej omówione zostały zagadnienia poświęcone pomiarowi rozproszonych protonów w detektorach AFP. Rozdział 3 poświęcony jest rozważaniom na temat wyboru odpowiedniej próbki danych do analizy. Znaczna jego część jest poświęcona opisowi własności, w szczególności jakości, zebranych danych. Natomiast własności odpowiednich próbek Monte Carlo są pokrótce przedstawione w rozdziale 4. Najobszerniejszą część rozprawy stanowi rozdział 5, w którym w szczegółach zostały opisane aspekty rekonstrukcji obiektów użytych w analizie: dżetów, prz- erwy w pośpieszności definiowanej w opartciu o zrekonstruowane ślady jak i klas- try w kalorymetrach, protonów. Rozdział rozpoczyna się analizą wydajności trygerów użytych do selekcji przypadków. W przypadku analizy niedyfrakcyjnej – bez tagowanego protonu – argumentowana jest konieczność połączonego użycia dwóch trygerów, w zależności od pędu poprzecznego wiodącego dżetu. Jest to podyktowane użyciem na poziomie trugera czynników skalujących (prescale) oraz efektywności zastosowanych algo- rytmów trygerowych. W przypadku procesów dyfrakcyjnej produkcji, rekomendowane zostało użycie trygera opartego o obecność protonu w detektorze AFP oraz dżetu. Tryger ten, pomimo niewydajności związanej z tagowaniem protonu, wynoszącej 91.25 ± 0.29 oraz 45.92 ± 0.13 w zależności o tego czy proton jest po stronie A czy C detektora ATLAS, oferuje zapis największej ilości przypadków. Rozdział 5 zawiera również obszerną dyskusję na temat kalibracji oraz wydajności rekonstrukcji detektora AFP. Szczególnie interesująca jest oczekiwana precyzja odwikłania energii protonu, która wynosi δξ/ξ ≈ 1%. Nie mniej ważna jest akceptancja detektora AFP, która pozwala na zarejestrowanie protonów które straciły pomiędzy 0.03 a 0.09 swojej początkowej energii. Duża cześć rozdziału została poświęcona rekonstrukcji „centralnych” obiektów takich jak ślady cząstek naładowanych, energia deponowana w kalorymetrze oraz dżety. W szczególności, w przypadku tej ostatniej, konieczne było wykonanie dedykowanej kalibracji. Mając opracowane charakterystyki kluczowych obiektów, możliwe było rozpoczęcie analizy danych pod kątem poszukiwania przypadków z przerwą w pseudopospieszności. Opis ten stanowi treść rozdziału 6. Na początek, na bazie wygenerowanych próbek Monte Carlo, przeprowadzone zostały rozważania różnych definicji przerwy w pseudopospieszności. Na ich podstawie przeprowadzona została selekcja przypadków w danych eksperymentalnych. Wymaganie obecności co najmniej dwóch dżetów o pędzie poprzecznym co najmniej 30 GeV oraz 20 GeV, mających pseudopospieszność przynajmniej |η| > 1.5, znajdujących się w przeciwnych hemisferach (ηJ1 × ηJ2 < 0) oraz przerwy w pseudopospieszności zdefiniowanej jako brak zrekonstruowanych śladów oraz klastrów o sumie energii większej niż 2 GeV w obszarze |η| < 1, poskutkowało wyłonieniem 234 przypadków- kandydatów o sygnaturze dżet-przerwa-dżet. Uwzględniając świetlność wynoszącą 29.65 ± 0.44 nb−1, przekrój czynny został oszacowany na: fid ND JGJ = 7.9 ± 0.5 nb. Rozdział 6 zawiera również opis selekcji dyfrakcyjnych przypadków produkcji dżetów, która w świetle opisywanej analizy dżet-przerwa-dżet stanowi krok pośredni do identyfikacji przypadków z tagowanym protonem. Selekcja przypadków została oparta o wymagania dżetów o odpowiednim pędzie poprzecznym (min. 30/20 GeV), ograniczeniu na liczbę zrekonstruowanych wierzchołków oraz związki kinematyczne pomiędzy energią zdeponowaną w kalorymetrze oraz odwikłaną z położenia protonu w AFP. Po zastosowaniu powyższych wymagań, zaobserwowano 4011 oraz 1328 przypadków z protonem tagowanym odpowiednio po stronie A oraz C. Analiza oparta o próbki Monte Carlo sugeruje obecność znacznej domieszki tła pochodzącego od przypadków niedyfrakcyjnych. Należy jednak nadmienić, że może one zostać zredukowane po zaadresowaniu zaobserwowanych problemów z rekonstrukcją wierzchołka oddziaływania. Złożenie selekcji opisanych powyżej zaowocowało wyłonieniem kandydatów o sygnaturze dyfrakcyjnej produkcji dżet-przerwa-dżet z pojedynczym tagowaniem protonu. W analizowanej próbce danych znaleziono 7 takich przypadków, co przekłada się na oszacowanie przekroju czynnego na poziomie: • σfid SD JGJ, A = 0.19 ± 0.08 nb dla protonu tagowanego po stronie A, • σfid SD JGJ, C = 0.15 ± 0.10 nb dla protonu po stronie C. Właściwą cześć rozprawy kończy podsumowanie otrzymanych wyników wraz z wykazem rekomendacji odnośnie przyszłej analizy danych. Ponadto, w dodatkach obszernie opisane zostały techniczne aspekty studiów wydajności wykonanie podczas doktoratu: zagadnienie znalezienia tzw. „prawdziwej’’ optyki LHC oraz wpływ efektu rotacji stacji AFP na odwikłanie energii protonu. Ostatni załącznik stanowi krótki opis studiów wykonanych na potrzeby potencjalnego użycia „rzymskich garnków” na akceleratorze High Luminosity LHC. The study of the properties of the jet-gap-jet production process is of great interest from both experimental and theoretical perspectives. Following the initial observations made using data collected by the CDF and D0 detectors [1, 3] at the Tevatron accelerator, measurements have also been performed using data from experiments at the LHC. For example, the first publication by the ATLAS Collaboration on this topic employed a veto on the presence of a jet within the so-called pseudorapidity gap [2]. In turn, the CMS Collaboration published the result of the measurement of the diffractive jet-gap-jet production process [5]. It should be noted, however, that these measurements, performed at centre-of-mass energies of 7 and 13 TeV, were affected by large uncertainties. Furthermore, the production process of the jet-gap-jet system in the double Pomeron exchange process, postulated in [4], has yet to be measured. These observations strongly motivate the measurement of jet-gap-jet production using data from the LHC at a collision energy of √ s = 13.6 TeV. The analysis presented in this dissertation is based on data collected during one of the special exposures of the ATLAS detector at the LHC performed in 2022. The accelerator operating point settings resulted in an average probability of proton-proton interaction during beam intersection of 0.05. Based on experience from the analysis of data collected at an energy of 13 TeV, such a data set (specifically, ATLAS run 428770) should ensure high sample purity. Additionally, the integrated luminosity of almost 30 nb−1 % of the collected data offers the potential for observations with high statistical significance. The signature of the jet-gap-jet process is the presence of at least two jets separated from each other by the so-called pseudorapidity gap. Experimentally, such a gap is defined as the lack of visible activity in the detector (i.e., reconstructed tracks or energy above a certain level) in a given pseudorapidity region. In the case of the diffractive jet-gap-jet production process, the signature additionally includes the presence of a proton scattered at a small angle. After the interaction, this proton continues to travel inside the accelerator vacuum tube and can be detected using dedicated detectors —-in this case, the ATLAS Forward Proton (AFP) detectors. This dissertation is organized as follows. Chapter 1 provides a brief introduction to quantum chromodynamics needed to understand the process of producing jets with a pseudorapidity gap. Chapter 2 contains a short description of the LHC accelerator, which delivered data for the discussed measurement with particular emphasis on the environment of the ATLAS experiment’s interaction point, crucial to understanding the kinematics of scattered protons. This chapter also describes the equipment used for the measurements - the ATLAS detector. In addition to the general overview of the “central” part of the experiment necessary for reconstructing jets and the pseudorapidity gap, it discusses in more detail the measurement of scattered protons using the AFP detectors. Chapter 3 focuses on the selection of an appropriate data sample for analysis. A significant part of it is devoted to the description of the properties, dedicating a significant portion to describing the properties and, in particular, the quality of the collected data. Chapter 4 briefly presents the properties of the corresponding Monte Carlo samples. The most extensive part of the thesis is Chapter 5, which details various aspects of the reconstruction of objects used in the analysis: jets, the rapidity gap defined based on the reconstructed tracks and clusters in calorimeters, and protons. The chapter begins with an analysis of the efficiency of triggers used for event selection. In the case of non-diffraction analysis – without a tagged proton – the need for the combined use of two triggers arises depending on the transverse momentum of the leading jet. This is dictated by the use of scaling factors (prescale) at the trigger level and the efficiency of the employed trigger algorithms. For diffractive production processes, it is recommended to use a trigger based on the detection of a proton in the AFP detector along with a jet. Despite the inefficiency of proton tagging, which is 91.25 ± 0.29 and 45.92 ± 0.13 depending on whether the proton is on the A or C side of the ATLAS detector, this trigger delivers the largest number of events. Chapter 5 also includes a comprehensive discussion of the calibration and reconstruction efficiency of the AFP detector. Of particular interest is the expected precision of the proton energy measurement, which is δξ/ξ ≈ 1%. Equally important is the acceptance of the AFP detector, which allows the detection of protons that have lost between 0.03 and 0.09 of their initial energy. A significant part of the chapter is devoted to the reconstruction of “central” objects such as tracks of charged particles, energy deposited in the calorimeter and jets. For jets, in particular, a dedicated calibration was required. Once the characteristics of these key objects were established, the analysis of the data could begin, aiming to identify events featuring a pseudorapidity gap. This topic is addressed in Chapter 6. Initially, various definitions of the pseudorapidity gap were examined using generated Monte Carlo samples. Based on these studies, a selection of relevant events within the experimental data was performed. The selection criteria required the presence of at least two jets with transverse momenta of at least 30 GeV and 20 GeV, respectively, with pseudorapidities satisfying |η| > 1.5. The jets were also required to be located in opposite hemispheres (ηJ1 × ηJ2 < 0). Additionally, a pseudorapidity gap was defined as the absence of reconstructed tracks and clusters with a total energy greater than 2 GeV within the |η| < 1 region. Applying these criteria resulted in the selection of 234 candidate events with a jet-gap-jet signature. Considering the luminosity of 29.65 ± 0.44 nb−1, the cross section was estimated to be: σfid ND JGJ = 7.9 ± 0.5 nb. Chapter 6 also describes the selection of diffraction jet production events, which, in the context of the jet-gap-jet analysis, is an intermediate step to the identification of events with a tagged proton. The event selection required the presence of jets with transverse momentum of at least 30 and 20 GeV, a constraint on the number of reconstructed vertices, and kinematic relations between the energy deposited in the calorimeter and derived from the proton position in the AFP. After applying these requirements, 4011 and 1328 events were observed with the proton tagged on the A and C sides, respectively. Analysis based on Monte Carlo samples suggests a significant background contribution from nondiffractive events. However, this can be reduced by addressing the observed problems with the interaction vertex reconstruction. The combination of the selection criteria described above resulted in the selection of candidates exhibiting a diffraction signature of jet-gap-jet production with a single tagged proton. In the analyzed data sample, seven such events were found, corresponding to the estimated cross-section of: • σfid SD JGJ, A = 0.19 ± 0.08 nb for the proton tagged on side A, • σfid SD JGJ, C = 0.15 ± 0.10 nb for the proton on side C. The main part of the thesis ends with a summary of the obtained results, together with a set of recommendations for future data analysis. Additionally, the technical aspects of performance studies carried out during this doctoral studies are extensively described in the appendices. These include the problem of determining the so-called “true” LHC optics and the impact of the AFP station rotation on the proton energy reconstruction. The last appendix provides a brief description of studies investigating the potential use of “Roman pots” at the High Luminosity LHC accelerator. References [1] F. Abe et al. “Events with a rapidity gap between jets in ¯pp collisions at √s = 630 GeV”. In: Phys. Rev. Lett. 81 (1998), pp. 5278–5283. doi: 10.1103/PhysRevLett.81.5278. [2] ATLAS Collaboration. “Measurement of dijet production with a veto on additional central jet activity in pp collisions at √s = 7 TeV using the ATLAS detector”. In: JHEP 2011.9 (Sept. 2011). issn: 1029-8479. doi: 0.1007/jhep09(2011)053. url: http://dx.doi.org/10.1007/ JHEP09(2011)053. [3] F. Abe et al. “Dijet production by color - singlet exchange at the Fermilab Tevatron”. In: Phys. Rev. Lett. 80 (1998), pp. 1156–1161. doi: 10.1103/PhysRevLett.80.1156. [4] C. Marquet et al. “Gaps between jets in double-Pomeron-exchange processes at the LHC”. In: Phys. Rev. D 87.3 (Feb. 2013). issn: 1550-2368. doi: 10 . 1103 / physrevd . 87 . 034010. url: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevD.87.034010. [5] TOTEM, CMS Collaboration. “Hard color-singlet exchange in dijet events in proton-proton collisions at √s = 13 TeV”. In: Phys. Rev. D 104 (2021), p. 032009. doi: 10.1103/PhysRevD.104. 032009. arXiv: 2102.06945 [hep-ex].Item Studies of Multi-Parton Interactions in Diffractive Processes with the ATLAS Forward Proton Detectors(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2021) Cieśla, Krzysztof; Chwastowski, Janusz; Staszewski, Rafał; Łuszczak, Marta; Ciborowski, Jacek; Turnau, JacekNiniejsza rozprawa doktorska poświęcona jest pomiarowi efektów oddziaływań wielopartonowych występujących w przypadkach dyfrakcyjnych w zderzeniach proton-proton na akceleratorze LHC. Jedną z sygnatur takich oddziaływań jest obecność nietkniętego protonu, zwanego protonem dyfrakcyjnym, który może być zmierzony przez detektory do przodu. Przykładem takich detektorów, będących częścią eksperymentu ATLAS, są detektory AFP. Analiza prze- prowadzona w niniejszej pracy opiera się na danych o scałkowanej świetlności wynoszącej około 56 nb−1, pochodzących z oddziaływań proton-proton przy energii zderzenia w układzie środka masy wynoszącej 13 TeV. Dane te zostały zebrane w 2017 roku w trakcie specjalnych okresów zbierania danych, w których akcelerator pracował z niską świetlnością chwilową. Warto podkreślić, że to jest pierwsza analiza mająca na celu pomiar efektów oddziaływań wielopartonowych w przypadkach dyfrakcyjnych. W pracy analizowano rozkłady wrażliwe na efekty oddziaływań wielopartonowych: średniej krotności naładowanych śladów, sumy pędów poprzecznych naładowanych śladów i średni pęd poprzeczny naładowanych śladów. Obserwable te oparto o naładowane ślady, których absolutna wartość pseudorapidity jest mniejsza niż 2,5 oraz i których pęd poprzeczny jest większy niż 500 MeV. Ponadto wymagana była obecność naładowanego śladu, sładu wiodącego, którego pęd poprzeczny przekracza 1 GeV, oraz dyfrakcyjnego protonu, którego względna stata energii wynosi pomiędzy 3,5 i 8%. Pomiar został przeprowadzony w trzech obszarach kąta azymutalnego wyznaczanego względem śladu wiodącego. Obszary te charakteryzują się różną czułością na efekty oddziaływań wielopartonowych. Otrzymane rozkłady badanych obserwabli zostały poprawione na efekty związane z wydajnością rekonstrukcji wierzchołka i śladu oraz wydajnością trygera AFP. Oszacowane zostały również przyczynki dwóch rodzajów tła. Przewidywania modelu Monte Carlo, Pythia 8 A2, dla oddziaływań pojedynczej dysocjacji dyfrakyjnej, zostały skonfrontowane z wynikami pomiarów. Okazało się, że model ten nie potrafi opisać mierzonych zależności. Prze- prowadzono próbę justowania parametrów modelu Pythia 8 A2 dla oddziaływań pojedynczej dysocjacji dyfrakyjnej, w wyniku której otrzymano wersję modelu dostarczającą znacznie lepszy opis danych doświadczalnych.
