Material estimation and low momentum tracking in Belle II

Abstract

Die Messung der Trajektorien geladener Teilchen ist eine wichtige Aufgabe in den meisten Teilchenphysik-Experimenten. Spezielle Komponenten, die Spurdetektoren oder Tracker genannt werden, liefern die nötige Information dazu. Um die optimalen Spur- und Interaktionsvertex-Parameter trotz verschiedenster Fehlerquellen zu schätzen, werden speziell entwickelte und angepasste Algorithmen verwendet.<br />Diese Doktorarbeit behandelt sowohl die Entwicklung neuer Methoden, um die Spur\-sch\"atzung weiter zu verbessern, als auch die Evaluierung moderner Spur- und Vertex-Rekonstuktionsalgorithmen für ein neues großes Teilchenphysik-Experiment, das gerade in der Konstruktionphase ist.<br />Der erste Teil stellt zwei neue Methoden vor, mit denen man die Berechnung der Spurparameter verbessern kann, indem man das Material, das die Teilchen durchquert, haben aus den Messungen des Spurdetektors selbst mitschätzt. Eine Methode basiert auf einem linearisierten Kleinste-Quadrate-Schätzer, die andere auf einer Kombination aus einem vorwärts- und einem rückwärtslaufenden Kalman-Filter. Zwei Beispiele für eine Anwendung eines solchen Algorithmus sind: a) Auch wenn eine genau Beschreibung des Materials vorhanden ist, wird aus Geschwindigkeitsgründen oft eine vereinfachte Geometrie verwendet; diese kann durch eine Materialschätzung optimiert werden. b) Es befinden sich -- aus welchen Gründen auch immer -- im Weg der Teilchen eine oder mehrere Lagen Material, deren Eigenschaften nicht genau bekannt sind.<br />Die auf dem Kalman-Filter basierende Methode wurde anhand von Daten aus einem Teststrahl überprüft und konnte die Qualität der Spurrekonstruktion tatsächlich verbessern.<br />Der zweite Teil stellt die Arbeit vor, die im Rahmen der Software- und Tracking-Gruppen des zukünftigen Experiments Belle~II geleistet wurde.<br />Der Autor beteiligte sich an der Entwicklung des neuen Softwareframeworks, das zur Datenauswertung in Belle~II genutzt werden wird. Zwar standen große Teile der Spur- und Vertex-Fit Algorithmen schon in Form von detektorunabhängigen Bibliotheken zur Verfügung, diese mussten jedoch zun\"achst in die Software von Belle~II integriert werden. Im Anschluss daran mussten zahlreiche \"Uberpr\"ufungen, Auswertungen und Verbesserungen vorgenommen werden. Es wird in dieser Arbeit gezeigt, dass einige wichtige Fälle schon jetzt besser rekonstruiert werden können, als es mit der Software des Vorg\"angerexperiments Belle möglich war; dies betrifft besonders die Rekonstruktion von niederenergetischen Spuren, deren exakte Behandlung ein Schwerpunkt dieser Arbeit war.<br />

The measurement of the trajectories of charged particles is an important task in most particle physics experiments. Special components, called tracking detectors or trackers, supply the necessary information.<br />Customized algorithms are used to estimate the optimal track and interaction vertex parameters from this information in the presence of many different sources of error.<br />This thesis covers both the development of new methods to further improve the tracking in particle detectors, and the evaluation of modern tracking and vertexing algorithms in an important experiment now under construction.<br />The first part presents two new methods to improve the reconstruction of particle tracks by explicit estimation of the amount of material passed by the tracks.<br />One is based on a linearised least-squares estimator, the other on the combination of a forward and a backward Kalman filter. There are two main scenarios where this could be useful in track reconstruction: a) A detailed description of the materials in the detector is available, but the track reconstruction uses a simplified model. The material estimation method could improve such a model. b) There is is a device with unknown material budget in the particle path. The method is based on a forward and a backward Kalman filter. It was validated with beam test data and was shown to lead to improved track fit results.<br />The second part presents the work done as member of the software and tracking group of the future Belle~II experiment, currently built as an upgrade of the Belle detector at the KEK accelerator research facility in Japan. The author took part in the development of a new software framework that will be used to analyse the data of Belle~II. While large parts of the track and vertex fit algorithms were already implemented in the form of detector independent software libraries, they had to be interfaced with the new framework, tested, evaluated, and improved. It is demonstrated that for some examples relevant for the physics program of Belle~II the performance already surpasses the one of Belle, particularly in the domain of low-energy track reconstruction, a main focus of the present work.<br />