Tracking detector optimization for collider experiments with fast simulation and by analytical methods

Abstract

Themen dieser Diplomarbeit sind die Entwicklung von Grund auf eines schnellen Monte-Carlo-Simulationsprogramms ("LiC Detector Toy", LDT) für die Optimierung von Spurdetektoren in Hochenergiephysik-Experimenten; dessen Benutzung, um die in dieser Arbeit entwickelten analytischen Näherungsformeln für Impuls- und Richtungsfehler zu überprüfen; sowie für Leistungs- und Optimierungsstudien des ILD-Detektorkonzepts (International Large Detector) und seiner Vorgänger (LDC - Large Detector Concept, GLD - Gaseous Large Detector) am zukünftigen International Linear Collider (ILC). Das Schlusskapitel illustriert die Zusammenarbeit von LDT und dem Programmpaket "RAVE/VERTIGO" für Vertexrekonstruktion.<br />Ein schnelles Simulationsprogramm stellt ein einfach zu bedienendes Werkzeug dar, das von Nicht-Experten ohne Wissen um algorithmische Details bedient werden kann, wobei Benutzerfreundlichkeit und Geschwindigkeit im Vordergrund stehen. Es ist in der Lage, auf flexible und schnelle Art Antworten auf einfache Fragen, Modifikationen der spursensitiven Teile eines Teilchendetektors betreffend, zu geben. Das hat natürlich auch einen Nachteil. Die Simulation der den Detektor durchquerenden Teilchen und die nachfolgende Spurrekonstruktion müssen vereinfacht werden, indem nur die wichtigsten physikalischen Effekte berücksichtigt werden. Das ist allerdings kein Problem in einem frühen Stadium der Detektorentwicklung. Außerdem können die Auswirkungen von lokalen Detektorveränderungen, die mit schnellen Simulationsprogrammen gefunden werden, als Anregung zur Gegenprobe mit vollen Simulationsprogrammen dienen. Schnelle Simulationen sind somit in der Lage, grundlegendes Optimierungspotential in einem Spurdetektor zu entdecken, während die volle Simulation (die nun keine Zeit auf unnütze Variationen aufwenden muss) diese Optimierungen im Detail überprüft and das letzte Wort hat.<br />LDT wird benutzt, um analytische Näherungsformeln zur Spurrekonstruktion zu überprüfen, die als Erweiterung zu schon existierenden entwickelt wurden. Diese Formeln werden danach auf den GLD-Detektor angewandt, wodurch ein Teil dessen Verhaltens auf sehr anschauliche Art erklärt wird. Nachdem LDT durch Vergleich mit anderen schnellen und vollen Simulationsprogrammen bestätigt wurde, wird es benutzt, um die Genauigkeit der Spurrekonstruktion in der Zentralregion des ILD-Detektorkonzepts zu bestimmen, sowie um eine fundierte Verbesserung der Vorwärtsregion vorzuschlagen.<br />Am Ende der Arbeit wird eine erfolgreiche Vertexrekonstruktion mit dem im Hause entwickelten Programmpaket "RAVE/VERTIGO" zur Vertexrekonstruktion durchgeführt; das unterstreicht die Zuverlässigkeit beider Programme.

The topic of this diploma thesis is the development from scratch of a fast Monte Carlo simulation tool ("LiC Detector Toy", LDT) for the optimization of tracking detectors in high energy physics experiments; its use to check approximate formulas for momentum and direction uncertainties which have been derived in this diploma thesis; and for performance and optimization studies of the ILD detector concept (International Large Detector) and its forerunners (LDC - Large Detector Concept, GLD - Gaseous Large Detector) at the future International Linear Collider (ILC). Finally, the cooperation of LDT and a vertex reconstruction toolkit (RAVE/VERTIGO) is illustrated.<br />The aim of a fast simulation program is to provide an easy-to-handle tool for non-experts without knowledge of algorithmic details, where usability and speed are the main issues. It intends to answer simple questions concerning modifications of the tracking parts of a particle detector in a fast and flexible way. Of course, this isn't without a downside. The simulation of particles traversing the detector and the subsequent reconstruction of their tracks have to be simplified, disregarding all but the most important physical effects. But at an early stage of detector development this is not a problem. Moreover, the effects of local detector modifications found by fast simulation can serve as an input for full simulation programs for a cross-check.<br />Therefore, fast simulation is deployed for discovering basic optimization potential in a tracking detector; thereafter, full simulation (without the need of spending time in no-promising variants) can check it in detail and has the final say. LDT is used to evaluate approximate formulas for tracking performance, which have been derived as an extension of existing ones. These formulas are herafter applied to the GLD detector, explaining part of its behaviour in a very intuitive way. After LDT has been validated against other fast and full simulation programs, the tool is applied to the ILD detector for pointing out its tracking performance in the barrel region, and for proposing a well-founded improved detector setup in the forward region.<br />This work closes with a subsequent vertex fit, performed by the "RAVE/VERTIGO" vertex reconstruction toolkit (developed in-house), successfully feeding it with tracks from LDT. This emphasises the reliability of both tools.<br />