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Pattern recognition in the Silicon Vertex Detector of the Belle II experiment
Jakob Lettenbichler
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Betreuer*in
Rudolf Frühwirth
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Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
DOI
10.25365/thesis.20433
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29511.81604.561953-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Die Diplomarbeit hatte zum Ziel eine Methode zur Rekonstruierung von niederenergetischen Teilchenspuren im Silicon Vertex Detector des Belle II Experiments zu entwickeln. Das Belle II Experiment ist der Nachfolger des Belle Experiments, welches zur Aufgabe hatte, die CP-Verletzung im B-Meson-System nachzuweisen. Die Experimente BaBar und Belle waren daher als ``B factories'' designed, um eine zum Nachweis ausreichende Menge an B-Meson-Zerfällen messen zu können. Der Nachweis war erfolgreich, die vom Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagte CP-Verletzung konnte nachgewiesen werden. Doch die CP-Verletzung des Standardmodell der Teilchenphysik erklärt nicht die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie, die im Universum beobachtet werden kann. Es gibt mehrere Theorien welche einige der Schwachpunkte des Standardmodells nicht haben. Beispiele dafür sind Supersymmetry oder die String Theorie. Doch ihre prognostizierten Abweichungen vom Standardmodell in der CP-Verletzung im B-Meson-System ist so klein, dass die vorhandene Datenmenge von BaBar und Belle nicht ausreicht, um diese nachzuweisen. Belle II wird nun etwa 40 mal so viele B-Meson-Zerfälle produzieren, wie Belle produziert hat. Dies erlaubt, Abweichungen vom Standardmodell zu finden. Obwohl sich die Kollisionsenergie von 10,58 GeV (Produktionsenergie des $\Upsilon 4 (S)$) beim Beschleuniger vom Upgrade des Belle Beschleunigers $-$ KEKB $-$ nicht geändert hat, wird dennoch ein neuer Detektor benötigt, welcher mit der drastisch erhöhten Kollisionsrate umgehen kann. Der neue Detektor erlaubt auch die Rekonstruktion von sehr niederenergetischen Teilchenpuren, welche nur einen Transversalimpuls von 50 MeV/c oder mehr haben. Es gibt einige Zerfallskanäle des B-Mesons welches ein niederenergetisches Pion erzeugen, welche mit dem alten Detektor kaum rekonstruiert werden konnte. Spuren mit diesem Impuls haben einen Krümmungsradius von nur 11cm und erreichen daher nicht die Central Drift Chamber, welche in Belle zur Rekonstruktion von Spuren benützt wurde. Daher ist eine Rekonstruktionsmethode notwendig, welche im Silizium-Teil des Tracking Detektors arbeitet. Der Silicon Vertex Detector hat 4 Lagen von Silizium Streifen Detektoren, welche für die Rekonstruktion zur Verfügung stehen. Der in dieser Arbeit vorgestellte Trackfinder ist darauf optimiert Teilchenspuren mit nur 3 oder 4 Hits zu finden (um eine durch das Magnetfeld gekrümmte Spur zu finden, sind aus Mathematischer Sicht mindestens 3 Hits notwendig) $-$ auch unter Situationen mit beträchtlichem Hintergrund. Zu diesem Zweck werden mehrere Filtermethoden kombiniert und im Rekonstruktionsprozess aneinander gereiht, da komplexere Techniken mit der zu erwartenden Hitmenge zu lange brauchen würden. Daher werden einfache, aber schnelle Algorithmen zur Hitreduktion verwendet, um das kombinatorische Problem für die aufwändigeren Algorithmen zu reduzieren. Der Trackfinder ist folgendermaßen aufgebaut: \\ Zuerst werden Hits in eine Sectormap einsortiert. Dazu werden die Sensoren des Detektors in Sektoren unterteilt und durch Simulationen festgestellt, welche Kombinationen von Sektoren in einem Track vorkommen können. Die Sectormap enthält für jeden Sektor die Information, welche weiteren Sektoren zu ihr kompatibel sind, also mit ihr kombiniert werden können. Durch das Einsortieren der Hits wird die Anzahl an möglichen Kombinationen für die Hits bereits beträchtlich reduziert, da nur Hits aus kompatiblen Sektoren kombiniert werden. \\ Der nächste Schritt sind dann einfache Filter, in denen 2 Hits miteinander kombiniert werden. Dabei werden solche nach Länge gefiltert. Hitkombinationen welche diese Tests bestehen, werden als Segmente gespeichert Danach folgen 3-hit-Filter, welche Winkel und vergleichbare Regeln an miteinander verknüpfte Sektoren anwenden. Sektorkombinationen welche diese Filter bestehen werden auch vermerkt. Diese Information benützt dann der Zelluläre Automat, welcher den Segmenten Zustände nach interner Logik vergibt. Diese Zustände sagen dann aus, wie viele kompatible Segmente in einer Kette zusammen hängen Haben diese eine bestimmte Mindestlänge, werden sie als Track Candidates gespeichert. Track Candidates werden dann noch durch weitere Filter (4-Hit-Filter, Kalman Filter, noch nicht implementiert) sowie einem Hopfield Netzwerk geschickt. Alle Track Candidates, die diese Tests überstehen werden dann abgespeichert für die weitere Verarbeitung. \\ Diese Arbeit ist Teil eines größeren Projektes, welches neben einem Offline Trackfinder auch eine Online Version vorsieht. Diese wird dann zur Datenreduktion eines weiteren Detektors benützt, wo eine hochqualitative Track Candidate-Bewertung von Vorteil ist.
Abstract
(Englisch)
The purpose of this thesis was to develop a pattern recognition tool for recognizing low momentum particle tracks within the silicon vertex detector of the Belle II experiment. The Belle II experiment is the successor of the Belle experiment and is a B factory of the second generation. B Factories are particle accelerators specialized to produce B mesons at high rates using the resonance energy of 10.58 GeV of the $\Upsilon 4 (S)$ Meson. Since the amount of data produced by the first generation of B factories is enough to confirm the Standard model of particle physics, it is not enough to show discrepancies to possible successors of the Standard model, namely Supersymmetry or String Theory. These successors are needed since the Standard model is not explaining the currently known level in the baryon asymmetry. To refine the measurements enough to see these discrepancies, the Belle II experiment will deliver 40 times more data since the first generation which would need several decades to achieve this amount The new detector is able to deal with the increased physics rate of the upgraded accelerator. One of the features will be the possibility to reconstruct low momentum tracks down to 50 MeV/c. This low momentum track finder is presented in this thesis. Its approach is to combine filters with different levels of complexity. The simple ones will reduce the level of combinatorics to allow the complex ones to remove realistically looking random combination of hits. This allows us to reconstruct tracks with only three hits within the detector $-$ even when there is considerable background. The low momentum track finder presented in this thesis is a part of a greater project in which next to the off-line track finder there will be an on-line version too. The on-line track finder will be used for data reduction since the innermost detector produces too much data to be able to store it. Using more sophisticated filter algorithms than typical triggering techniques improves the success rate.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Englisch)
Pattern recognition Hopfield network neuronal network cellular automaton Kalman filter particle physics Belle II experiment CP violation event reconstruction trackfinder
Schlagwörter
(Deutsch)
Mustererkennung Hopfield Netzwerk Neuronales Netz Zelluläre Automaten Kalman Filter Teilchenphysik Belle II Experiment CP Verletzung Event Rekonstruktion Trackfinder
Autor*innen
Jakob Lettenbichler
Haupttitel (Englisch)
Pattern recognition in the Silicon Vertex Detector of the Belle II experiment
Paralleltitel (Deutsch)
Mustererkennung im Silicon Vertex Detector des Belle II Experiments
Paralleltitel (Englisch)
Pattern recognition in the Silicon Vertex Detector of the Belle II experiment
Publikationsjahr
2012
Umfangsangabe
96 S.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Rudolf Frühwirth
Klassifikation
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.99 Naturwissenschaften allgemein: Sonstiges
AC Nummer
AC10486383
Utheses ID
18277
Studienkennzahl
UA | 411 | | |
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