Development, Performance, and Prospects of ACTS for ATLAS Track Reconstruction during High-Luminosity LHC and Beyond

Abstract

Mit dem Beginn des High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) steht der ATLAS-Detektor vor der beispiellosen Herausforderung, Teilchenspuren mit bis zu 200 simultanen Proton-Proton-Kollisionen pro Bunch Crossing zu rekonstruieren. Um den Anforderungen gerecht zu werden, hat sich die ATLAS-Kollaboration entschieden, das ACTS-Toolkit (A Common Tracking Software) zu nutzen — ein gemeinschaftlich entwickeltes Projekt, das experimentunabhängige Algorithmen zur Spurrekonstruktion in modernem C++ bereitstellt. Diese Dissertation präsentiert die Entwicklung und Leistungsfähigkeit der Spurrekonstruktionssoftware, die für die Herausforderungen des High-Luminosity-Upgrades des ATLAS-Experiments am CERN optimiert ist. Die beschriebenen Beiträge erweitern die Funktionalität von ACTS erheblich und verbessern ihre Leistungsfähigkeit in verschiedenen Bereichen der Spurrekonstruktion. Dazu zählen unter anderem Verbesserungen bei der Spurpropagation, der numerischen Integration, der Navigationslogik, der Ambiguitätsauflösung sowie der Spurrekonstruktion mit präzisen Zeitmessungen. Besonderes Augenmerk gilt Entwicklungen, die die Recheneffizienz und Robustheit der Spurfindung unter HL-LHC-Bedingungen erhöhen. Neben der Softwareentwicklung enthält diese Dissertation umfassende Spurrekonstruktions-Performancestudien unter Verwendung des OpenDataDetector, eines Prototyps eines (HL-)LHC-ähnlichen n Silizium-Innen-Spurendetektors, sowie des Inneren Spurendetektors des ATLAS-Experiments. Die Ergebnisse zeigen die Wirksamkeit der neuen Entwicklungen in hochgradig komplexen Kollisionsumgebungen und präsentieren die Effizienz, Auflösung und Rechenleistung der Spurfindung. Diese Arbeit legt eine robuste Grundlage für die Integration von ACTS in die Spurrekonstruktionssoftware von ATLAS und leistet einen wichtigen Beitrag zu einem wachsenden Software-Toolkit für zukünftige Experimente der Hochenergiephysik.

With the advent of the High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC), the ATLAS detector will face the unprecedented challenge of reconstructing particle trajectories in an environment featuring up to 200 simultaneous proton-proton interactions per bunch crossing. To meet these challenges, the ATLAS Collaboration has decided to adopt the ACTS (A Common Tracking Software)toolkit — a community-driven project that provides experiment-independent tracking algorithms implemented in modern C++. This thesis presents developments and performance evaluations of track reconstruction software optimized for the conditions after the High-Luminosity upgrade of the ATLAS experiment at CERN. The work detailed in this thesis contributes significantly to the ACTS codebase, enhancing its capabilities across a range of reconstruction tasks. These include improvements in track propagation, stepper mechanics, navigation logic, ambiguity resolution, and time-aware tracking. Special focus is given to developments that improve the computational efficiency and robustness of track finding under HL-LHC conditions. In addition to software developments, this thesis includes comprehensive tracking performance studies with the OpenDataDetector, a prototype of an(HL-)LHC-like full-silicon inner tracking detector, as well as the ATLAS InnerTracker. Results demonstrate the effectiveness of the new developments in high-pileup environments, demonstrating track finding efficiency, resolution, and computational performance. This work establishes a robust foundation for the integration of ACTS into the ATLAS track reconstruction software and contributes to a growing toolkit that supports future high-energy physics experiments.