Tracker performance studies at the 100 TeV future circular hadron collider at extreme pile-up conditions

Abstract

Das rechnergestützte Finden der Spuren von geladenen Teilchen, mithilfe des Spurendetektors eines Hochenergiephysikexperiments, ist der anspruchsvollste Teil der Rekonstruktion der Produkte einer Teilchenkollision an einem Beschleuniger. Die Spurrekonstruktion wird besonders anspruchsvoll, wenn mehrere Teilchenpaare innerhalb einer Ereignisspanne kollidieren (Pile-up). Das ATLAS experiment am LHC (Large Hadron Collider) plant einen Umbau des Detektors (Phase-II upgrade), um den neuen experimentellen Bedingungen der nächsten LHC phase (Run4 ) zu genügen. In dieser Phase werden durchschnittlich, anstatt der momentan ungefähr 40, 200 gleichzeitige Kollisionen pro Ereignis erwartet. Daher müssen sowohl der Spurendetektor, als auch die Software zur Rekonstruktion verbessert und erneuert werden. Zusätzlich werden momentan experimentelle Möglichkeiten für die Zeit nach dem LHC im Rahmen der sogennanten FCC (Future Circular Collider) Design Studie untersucht. Für einen zukünftigen Proton-Proton Teilchenbeschleuniger (FCC-hh), mit einer Schwerpunktsenergie von 100 TeV, wird durchschnittlich sogar ein Pile-up von 1000 erwartet. Die Software für Detektorsimulation und Teilchenrekonstrution dieser anspruchsvolleren zukünftigen Experimente soll von der bisherigen Erfahrung und den laufenden Verbesserungen für die LHC-Experimente profitieren. Neben dem extrem erhöhten Pile-up, ist die Auflösung sehr naher Teilchenspuren in hochenergetischen Teilchenjets eine der größten Herausforderungen für die Spurrekonstruktion. Diese Arbeit wurde im Rahmen der FCC Machbarkeitstudie durchgeführt. Im ersten Abschnitt wird die Entwicklung von Software-Komponenten für Simulation und Teilchenspurrekonstruktion vorgestellt. Wesentlich war dabei die Verwendung moderner Programmiertechniken und die Ausnützung von Parallelisierung. Gleichzeitig sollte die optimale Ausnutzung der experimentellen Möglichkeiten, mit Einbeziehung von Pile-up, gewährleistet sein. Die Software-Suite wurde wesentlich erweitert, um Studien zur Leistung des Spurendetektors zu ermöglichen. Im zweiten Teil der Arbeit wurden diese Software-Komponenten verwendet, um die Leistung des Teilchenspurdetektors unter den anspruchvollen experimentellen Bedingungen des FCC-hh zu untersuchen. In diesem Zusammenhang wurde die Auslastung der Auslesekanäle und die zu erwartenden Datenraten im Spurendetektor erfasst und die Auflösung von nahen Spuren innerhalb von Bottom-Quark-Jets untersucht. Weiters wurde das Potential um direkt einen WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) dunklen Materie Kandidaten zu detektieren, welcher eine verschwindende Teilchenspur im Spurendetektor hinterlässt, abgeschätzt.

In high energy physics collider experiments the finding and measurement of trajectories of charged particles in the innermost tracking detector is one of the most challenging aspects of event reconstruction. It is particularly strongly influenced by the presence of pile-up and becomes computationally challenging in such environments. The ATLAS experiment, at the LHC (Large Hadron Collider) is planing a large-scale upgrade (Phase-II upgrade) to handle the experimental conditions of the next run Run4 , which includes a new inner tracking detector. To cope with the environment of up to 200 simultaneous proton-proton collision per bunch-crossing (pile-up) both, hardware and software components need to be significantly updated. At the same time, post LHC circular collider possibilities are examined in the frame of the FCC (future circular collider) design study. For a future proton-proton collider (FCC-hh) with a center-of-mass-energy of 100 TeV, 1000 pile-up interactions are expected. The main challenges for a FCC-hh scenario in terms track reconstruction are expected to be the resolution of close-by tracks in dense jet environments and dealing with the extreme pile-up conditions. Moreover, the complex experimental setup leads to demanding computational aspects in track reconstruction and simulation. At the beginning of the study, a FCC software suite was established, which should profit from the LHC legacy and ongoing research and development for the upcoming detector upgrades. This work is embedded in the future circular collider study. The first part of this work describes the development of software components for simulation and modern track reconstruction for future scenarios. The usage of modern programming techniques, respecting the evolution of the computing hardware by exploiting parallel computing approaches, while aiming on optimizing the physics potential, in particular for high pile-up environments, was essential. The software suite was substantially extended to allow tracker performance studies. The optimized and newly developed software was used to study the tracker performance and physics potential of the FCC-hh baseline tracker, considering the extreme pile-up conditions. These aspects have been studied by examining the expected channel occupancy and data rates as well as double track resolution in the core of b-quark particle jets. Finally the potential of directly detecting a possible WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) dark matter candidate, with disappearing track signature, was assessed.