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Track reconstruction at the first level trigger of the Belle II experiment
Track reconstruction at the first level trigger of the Belle II experiment
Das Belle II Experiment ist ein Upgrade des Belle Experiments, das wesentlich zur Bestätigung der Kobayashi-Maskawa Theorie über den Ursprung der CP-Verletzung beigetragen hat. Der neue e+e- Beschleuniger SuperKEKB soll eine instantane Luminosität von 8x10^35 cm^-2 s^-1 erreichen und damit den Weltrekord seines Vorgängers KEKB um einen Faktor 40 übertreffen. Belle II wird sowohl Präzisionsmessungen an B-Mesonen durchführen als auch Suchen nach seltenen Zerfällen, wie beispielsweise Lepton-Flavor verletzende tau-Zerfälle. Infolge der erhöhten Luminosität wird auch eine höhere Untergrundrate erwartet, die bereits auf der ersten Triggerstufe reduziert werden muss. Eine dominante Untergrundquelle sind Teilchen, die nicht von e+e- Kollisionen stammen, sondern von Stößen innerhalb eines Strahls oder mit Restgasmolekülen in der Strahlröhre. Die daraus entstehenden Spuren können durch ihren Entstehungspunkt identifiziert werden, der gegenüber dem Kollisionspunkt longitudinal verschoben ist. Im Fokus der vorliegenden Arbeit steht die 3D Rekonstruktion von Spuren in der zentralen Driftkammer des Belle II Detektors auf der ersten Triggerstufe. Die Driftkammer enthält Drähte mit unterschiedlicher Ausrichtung: Axial-Drähte sind parallel zur z-Achse gespannt, wohingegen Stereo-Drähte gegen die z-Achse verdreht sind. Spuren, die von der z-Achse, aber nicht notwendigerweise vom Kollisionspunkt stammen, werden durch vier Parameter beschrieben: Den Azimuth- und Polarwinkel, die Spurkrümmung und die longitudinale Koordinate des Entstehungspunktes („z-Vertex“). Die Spurkrümmung entsteht durch ein konstantes Magnetfeld von 1.5 T entlang der z-Achse und ist umgekehrt proportional zum Transversalimpuls des Teilchens. Die Spurrekonstruktion im Trigger besteht aus zwei Stufen: ein Spurfindungsalgorithmus in der transversalen x-y-Ebene, gefolgt von einer 3D Rekonstruktion einzelner Spuren. Der Spurfinder bestimmt die Anzahl an Spuren sowie ihren jeweiligen Azimuthwinkel und ihre Krümmung mittels einer Houghtransformation. Hits von Axial-Drähten entsprechen Punkten in der transversalen Ebene und werden zu Kurven in einer Hough-Ebene transformiert. Spuren werden als Kreuzungspunkte mehrerer Kurven gefunden. Die Spurparametrisierung für diese Transformation beschreibt Halbkreise in der transversalen Ebene, die vom Ursprung nach außen laufen. Mit dieser Definition entsprechen die Koordinaten des Kreuzungspunktes in der Hough-Ebene dem Azimuthwinkel und einer vorzeichenbehafteten Krümmung, über die man den Transversalimpuls und die Ladung der Spur erhält. Die 3D Rekonstruktion bestimmt den Polarwinkel und den z-Vertex jeder Spur. Da die Spuren bereits durch den Spurfinder voneinander getrennt wurden, kann jede Spur separat rekonstruiert werden. Durch die Kombination von Hits der Stereo-Drähte mit der transversalen Spur können longitudinale Hit-Koordinaten bestimmt werden. Um die Ortsauflösung zu erhöhen, werden auch die Driftzeiten der Hits berücksichtigt, die proportional zum Abstand zwischen der Spur und dem Draht sind. Anstelle einer analytischen Rekonstruktion werden mehrlagige Perzeptrons (MLPs) trainiert, ein bestimmter Typ von neuronalen Netzen. MLPs können nichtlineare Funktionen aus Beispieldaten lernen und lassen sich parallelisiert mit deterministischer Laufzeit ausführen. Die Netze erhalten die Drahtkoordinaten relativ zur transversalen Spur sowie die Driftzeiten der Hits als Eingabewerte und schätzen den Polarwinkel und den z-Vertex. Für die Spuren einzelner Myonen wird eine durchschnittliche z-Vertex-Auflösung von (2.910+-0.008) cm erreicht, wodurch der Großteil der Untergrundspuren unterdrückt werden kann. Im Anschluss an die Optimierung der Houghtransformation und der neuronalen Netze wird in dieser Arbeit die Triggereffizienz ausgewählter B und tau Ereignisse untersucht. Unterschiedliche Bedingungen des Spurtriggers werden verglichen, darunter ein z-Vertex-Veto und ein Veto gegen Bhabha-Streuprozesse, die im Belle II Experiment einen zweiten dominanten Untergrund darstellen. Durch die Kombination dieser Vetos können selbst Ereignisse mit nur ein oder zwei Spuren getriggert werden. Für den Lepton-Flavor verletzenden Zerfall tau -> mu gamma erreicht ein reiner Spurtrigger eine Triggereffizienz von 75% bis 77% (sechs mal höher als ohne die 3D Spurrekonstruktion)., The Belle II experiment is an upgrade of the Belle experiment, which was instrumental in confirming the Kobayashi-Maskawa theory for the origin of CP violation. The upgraded e+e- collider SuperKEKB is designed to achieve an instantaneous luminosity of 8x10^35 cm^-2 s^-1, which is 40 times higher than the world record set by its predecessor KEKB. Belle II will perform precision measurements in the B meson system as well as searches for rare decays, such as lepton flavor violating tau decays. As a consequence of the increased luminosity, the first level trigger has to cope with an increased background rate. A dominant background source are particles that do not originate from e+e- collisions, but from intra-beam interactions or scattering on residual gas in the beampipe. The corresponding tracks are characterized by their production vertex, which is longitudinally displaced with respect to the interaction point. The focus of this thesis is the 3D reconstruction of tracks in the central drift chamber of the Belle II detector at the first trigger level. The drift chamber contains wires of two different orientations: axial wires are oriented along the z-axis, while stereo wires are skewed with respect to the z-axis. Assuming that tracks come from the z-axis, but not necessarily the interaction point, a track is parametrized by four parameters: the azimuth and polar angles at the track vertex, the track curvature and the longitudinal coordinate of the production vertex (“z-vertex”). The track curvature is caused by a constant magnetic field of 1.5 T that is oriented along the z-axis, and is inverse proportional to the transverse momentum of the particle. The track reconstruction in the trigger consists of two steps: a track finding step in the transverse x-y-plane and a 3D reconstruction step on individual tracks. The purpose of the track finding is to determine the number of tracks and the azimuth angle and curvature of each, using a Hough transformation. Hits on axial wires correspond to points in the transverse plane and are transformed into curves in a Hough plane, where tracks are found as the crossing points of several curves. The track parametrization for the transformation is chosen such that it represents half circles in the transverse plane, going outward from the origin. With this definition, the crossing point coordinates in the Hough plane give the azimuth angle and the signed curvature, which is related to the transverse momentum and the charge of the track. The purpose of the 3D reconstruction is to determine the polar angle and the z-vertex of each track. As the tracks have already been separated in the track finding step, each track is reconstructed independently. By combining the hits from stereo wires with the transverse track, longitudinal hit coordinates can be obtained. To increase the spatial resolution, the drift times of hits are included, which are proportional to the distance between the track and the wire. Instead of an analytical reconstruction, neural networks of the Multi Layer Perceptron (MLP) type are trained. MLPs are capable of learning nonlinear functions from data samples as well as of parallel execution with a deterministic runtime. The networks receive the wire coordinates relative to the transverse track and the drift times of hits as input and estimate the polar angle and the z-vertex. An average z-vertex resolution of (2.910+-0.008) cm is achieved for single muon tracks, which allows to suppress most of the displaced background tracks. After the optimization of both the Hough transformation and the neural networks, this thesis studies the trigger efficiency for selected B and tau events. Different track trigger conditions are compared, including a z-vertex veto and a veto on Bhabha scattering events, which form the second dominant background in the Belle II experiment. By combining these vetos, events with only one or two tracks can be triggered. For the lepton flavor violating decay channel tau -> mu gamma, a trigger efficiency of 75% to 77% can be obtained with a pure track trigger, which is six times higher than without a 3D track reconstruction.
Not available
Pohl, Sara
2018
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Pohl, Sara (2018): Track reconstruction at the first level trigger of the Belle II experiment. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Das Belle II Experiment ist ein Upgrade des Belle Experiments, das wesentlich zur Bestätigung der Kobayashi-Maskawa Theorie über den Ursprung der CP-Verletzung beigetragen hat. Der neue e+e- Beschleuniger SuperKEKB soll eine instantane Luminosität von 8x10^35 cm^-2 s^-1 erreichen und damit den Weltrekord seines Vorgängers KEKB um einen Faktor 40 übertreffen. Belle II wird sowohl Präzisionsmessungen an B-Mesonen durchführen als auch Suchen nach seltenen Zerfällen, wie beispielsweise Lepton-Flavor verletzende tau-Zerfälle. Infolge der erhöhten Luminosität wird auch eine höhere Untergrundrate erwartet, die bereits auf der ersten Triggerstufe reduziert werden muss. Eine dominante Untergrundquelle sind Teilchen, die nicht von e+e- Kollisionen stammen, sondern von Stößen innerhalb eines Strahls oder mit Restgasmolekülen in der Strahlröhre. Die daraus entstehenden Spuren können durch ihren Entstehungspunkt identifiziert werden, der gegenüber dem Kollisionspunkt longitudinal verschoben ist. Im Fokus der vorliegenden Arbeit steht die 3D Rekonstruktion von Spuren in der zentralen Driftkammer des Belle II Detektors auf der ersten Triggerstufe. Die Driftkammer enthält Drähte mit unterschiedlicher Ausrichtung: Axial-Drähte sind parallel zur z-Achse gespannt, wohingegen Stereo-Drähte gegen die z-Achse verdreht sind. Spuren, die von der z-Achse, aber nicht notwendigerweise vom Kollisionspunkt stammen, werden durch vier Parameter beschrieben: Den Azimuth- und Polarwinkel, die Spurkrümmung und die longitudinale Koordinate des Entstehungspunktes („z-Vertex“). Die Spurkrümmung entsteht durch ein konstantes Magnetfeld von 1.5 T entlang der z-Achse und ist umgekehrt proportional zum Transversalimpuls des Teilchens. Die Spurrekonstruktion im Trigger besteht aus zwei Stufen: ein Spurfindungsalgorithmus in der transversalen x-y-Ebene, gefolgt von einer 3D Rekonstruktion einzelner Spuren. Der Spurfinder bestimmt die Anzahl an Spuren sowie ihren jeweiligen Azimuthwinkel und ihre Krümmung mittels einer Houghtransformation. Hits von Axial-Drähten entsprechen Punkten in der transversalen Ebene und werden zu Kurven in einer Hough-Ebene transformiert. Spuren werden als Kreuzungspunkte mehrerer Kurven gefunden. Die Spurparametrisierung für diese Transformation beschreibt Halbkreise in der transversalen Ebene, die vom Ursprung nach außen laufen. Mit dieser Definition entsprechen die Koordinaten des Kreuzungspunktes in der Hough-Ebene dem Azimuthwinkel und einer vorzeichenbehafteten Krümmung, über die man den Transversalimpuls und die Ladung der Spur erhält. Die 3D Rekonstruktion bestimmt den Polarwinkel und den z-Vertex jeder Spur. Da die Spuren bereits durch den Spurfinder voneinander getrennt wurden, kann jede Spur separat rekonstruiert werden. Durch die Kombination von Hits der Stereo-Drähte mit der transversalen Spur können longitudinale Hit-Koordinaten bestimmt werden. Um die Ortsauflösung zu erhöhen, werden auch die Driftzeiten der Hits berücksichtigt, die proportional zum Abstand zwischen der Spur und dem Draht sind. Anstelle einer analytischen Rekonstruktion werden mehrlagige Perzeptrons (MLPs) trainiert, ein bestimmter Typ von neuronalen Netzen. MLPs können nichtlineare Funktionen aus Beispieldaten lernen und lassen sich parallelisiert mit deterministischer Laufzeit ausführen. Die Netze erhalten die Drahtkoordinaten relativ zur transversalen Spur sowie die Driftzeiten der Hits als Eingabewerte und schätzen den Polarwinkel und den z-Vertex. Für die Spuren einzelner Myonen wird eine durchschnittliche z-Vertex-Auflösung von (2.910+-0.008) cm erreicht, wodurch der Großteil der Untergrundspuren unterdrückt werden kann. Im Anschluss an die Optimierung der Houghtransformation und der neuronalen Netze wird in dieser Arbeit die Triggereffizienz ausgewählter B und tau Ereignisse untersucht. Unterschiedliche Bedingungen des Spurtriggers werden verglichen, darunter ein z-Vertex-Veto und ein Veto gegen Bhabha-Streuprozesse, die im Belle II Experiment einen zweiten dominanten Untergrund darstellen. Durch die Kombination dieser Vetos können selbst Ereignisse mit nur ein oder zwei Spuren getriggert werden. Für den Lepton-Flavor verletzenden Zerfall tau -> mu gamma erreicht ein reiner Spurtrigger eine Triggereffizienz von 75% bis 77% (sechs mal höher als ohne die 3D Spurrekonstruktion).

Abstract

The Belle II experiment is an upgrade of the Belle experiment, which was instrumental in confirming the Kobayashi-Maskawa theory for the origin of CP violation. The upgraded e+e- collider SuperKEKB is designed to achieve an instantaneous luminosity of 8x10^35 cm^-2 s^-1, which is 40 times higher than the world record set by its predecessor KEKB. Belle II will perform precision measurements in the B meson system as well as searches for rare decays, such as lepton flavor violating tau decays. As a consequence of the increased luminosity, the first level trigger has to cope with an increased background rate. A dominant background source are particles that do not originate from e+e- collisions, but from intra-beam interactions or scattering on residual gas in the beampipe. The corresponding tracks are characterized by their production vertex, which is longitudinally displaced with respect to the interaction point. The focus of this thesis is the 3D reconstruction of tracks in the central drift chamber of the Belle II detector at the first trigger level. The drift chamber contains wires of two different orientations: axial wires are oriented along the z-axis, while stereo wires are skewed with respect to the z-axis. Assuming that tracks come from the z-axis, but not necessarily the interaction point, a track is parametrized by four parameters: the azimuth and polar angles at the track vertex, the track curvature and the longitudinal coordinate of the production vertex (“z-vertex”). The track curvature is caused by a constant magnetic field of 1.5 T that is oriented along the z-axis, and is inverse proportional to the transverse momentum of the particle. The track reconstruction in the trigger consists of two steps: a track finding step in the transverse x-y-plane and a 3D reconstruction step on individual tracks. The purpose of the track finding is to determine the number of tracks and the azimuth angle and curvature of each, using a Hough transformation. Hits on axial wires correspond to points in the transverse plane and are transformed into curves in a Hough plane, where tracks are found as the crossing points of several curves. The track parametrization for the transformation is chosen such that it represents half circles in the transverse plane, going outward from the origin. With this definition, the crossing point coordinates in the Hough plane give the azimuth angle and the signed curvature, which is related to the transverse momentum and the charge of the track. The purpose of the 3D reconstruction is to determine the polar angle and the z-vertex of each track. As the tracks have already been separated in the track finding step, each track is reconstructed independently. By combining the hits from stereo wires with the transverse track, longitudinal hit coordinates can be obtained. To increase the spatial resolution, the drift times of hits are included, which are proportional to the distance between the track and the wire. Instead of an analytical reconstruction, neural networks of the Multi Layer Perceptron (MLP) type are trained. MLPs are capable of learning nonlinear functions from data samples as well as of parallel execution with a deterministic runtime. The networks receive the wire coordinates relative to the transverse track and the drift times of hits as input and estimate the polar angle and the z-vertex. An average z-vertex resolution of (2.910+-0.008) cm is achieved for single muon tracks, which allows to suppress most of the displaced background tracks. After the optimization of both the Hough transformation and the neural networks, this thesis studies the trigger efficiency for selected B and tau events. Different track trigger conditions are compared, including a z-vertex veto and a veto on Bhabha scattering events, which form the second dominant background in the Belle II experiment. By combining these vetos, events with only one or two tracks can be triggered. For the lepton flavor violating decay channel tau -> mu gamma, a trigger efficiency of 75% to 77% can be obtained with a pure track trigger, which is six times higher than without a 3D track reconstruction.