The NA62 VetoCounter sub-detector readout system upgrade and performance evaluation.

NA62 is a medium-sized particle physics experiment located in the CERN North Area beam facility. Its main objective is to study the ultra rare kaon decay channel PNN (K + → π + ν ν̄). Given the extremely low branching ratio of the signal, muon and photon vetoing is of paramount importance and most of the subdetectors in NA62 are dedicated to this function. In 2020, a new sub-detector named Veto Counter has been installed. This device is designed to reduce the spurious contributions of secondary interactions happening within the beam line. NA62 currently uses the TEL62 digital board as the backbone of its data acquisition (DAQ) system, which is a highly improved and upgraded version of the TELL1 board originally developed for LHCb. Following the ever growing requirements of the NA62 experiment, the limitations of the TEL62-based readout are showing more and more. These include lack of radiation hardness and readout rate limitations of the aging Time to Digital converter modules used. An upgrade of the readout system using a new custom time to digital converter (TDC) in combination with the modern FELIX card developed for the ATLAS experiment is thus envisioned. The Veto Counter is equipped with a dual TEL62 and FELIX readout and is used as a test bench in the evaluation of the new readout. In this work the performance of the Veto Counter is studied and a comparison between TEL62 and FELIX readout is performed. Furthermore a control system for the newly developed FELIX TDC is designed and tested on the Veto Counter platform. A general introduction on the physics studied at NA62 will be given in Chapter 1. In order to fulfill its experimental goals NA62 requires a specific design; in Chapter 2 we will discuss the most relevant design choices regarding trigger and experimental structure. An overview of the main sub-detectors is given in Chapter 3 while in Chapter 4 a description of the current Trigger and Data Acquisition system of NA62 is given. The FELIX readout upgrade effort will be detailed in Chapter 5, together with a description of the main limitations of the TEL62 readout. This upgrade is expected to involve all the sub-detectors at NA62 currently using a TEL62 system. Software design of the FELIX control system, developed in this work is described in depth in Chapter 6. Chapter 7 will give a description of the Veto Counter subdetector; being a test bench for the new readout technology it features a dual TEL62-FELIX readout. Finally, the performance study of the Veto counter and its readout is presented in Chapter 8. As an aside, in Appendix C some observation on a possible use of the Veto Counter to aid in upstream track extrapolation are presented.

NA62 è un medio esperimento di fisica delle particelle ubicato alla North Area beam facility al CERN. L'obiettivo principale di NA62 è lo studio del decadimento kaonico ultra raro PNN (K + → π + ν ν̄). A causa del suo branching ratio estremamente ridotto risulta fondamentale avere un efficace sistema di vetoing per muoni e fotoni; la maggior parte dei rivelatori di NA62 sono appunto dedicati a questo scopo. Nel 2020 un nuovo subrivelatore chiamato Veto Counter è stato installato. Questo dispositivo è progettato per ridurre i contributi spuri causati dalle interazioni secondarie del fascio con gli elementi della linea. NA62 utilizza attualmente la scheda TEL62 come spina dorsale del suo sistema di acquisizione dati (DAQ), questa è una versione altamente migliorata e aggiornata della scheda TELL1 originariamente sviluppata per LHCb. In seguito ai crescenti requisiti dell'esperimento, i limiti del sistema di lettura basato su TEL62 sono sempre più evidenti. Tra questi, la scarsa resistenza alle radiazioni e i limiti sulla velocità di lettura dei moduli di conversione tempo-digitale (TDC) utilizzati. Si prevede quindi un aggiornamento del sistema di lettura utilizzando un nuovo TDC progettato per interfacciarsi con la piattaforma FELIX, sviluppata per l'esperimento ATLAS. Il Veto Counter è dotato di un doppio sistema di acquisizione TEL62 e FELIX e viene utilizzato come banco di prova per la valutazione del nuovo readout. In questo lavoro vengono studiate le prestazioni del Veto Counter e viene eseguito un confronto tra il sistema basato su TEL62 e quello basato su FELIX. Inoltre, viene progettato e testato sulla piattaforma del Veto Counter un sistema di controllo per il TDC FELIX. Nel Capitolo 1 verrà fornita un'introduzione generale sulla fisica studiata a NA62. Per raggiungere i suoi obiettivi sperimentali, NA62 richiede un progetto specifico; nel Capitolo 2 verranno dunque discusse le scelte progettuali più rilevanti per quanto riguarda il trigger e la struttura sperimentale. Nel Capitolo 3 viene fornita una panoramica dei principali sub-rilevatori, mentre nel Capitolo 4 viene fornita una descrizione dell'attuale sistema di trigger e acquisizione dati di NA62. Il lavoro di aggiornamento del sistema di lettura FELIX sarà descritto in dettaglio nel capitolo 5, insieme a una descrizione delle principali limitazioni del sistema basato su TEL62. L'aggiornamento, quando completato, coinvolgerà tutti i sub-rivelatori di NA62 che attualmente utilizzano un sistema TEL62. La progettazione del software del sistema di controllo FELIX, sviluppato in questo lavoro, è descritta in dettaglio nel Capitolo 6. Il Capitolo 7 descrive invece il subrivelatore Veto Counter, banco di prova per la nuova tecnologia di lettura e dotato di un doppio sistema TEL62-FELIX. Infine, nel Capitolo 8 viene presentato lo studio delle prestazioni del Veto Counter e del suo readout. Nell'Appendice C sono inoltre presentate alcune osservazioni su un possibile utilizzo del Veto Counter per aiutare l'estrapolazione a monte delle tracce.