Real-time pattern recognition in the central tracking detector of the Belle II Experiment

Abstract

Das Belle II Experiment wird aktuell im Forschungszentrum KEK in Tsukuba, Japan, errichtet. Belle II ist ein Detektor am asymmetrischen Speicherring SuperKEKB, in dem Elektronen und Positronen zur Kollision gebracht werden. Aufgrund der wesentlich höheren Datenrate und der verringerten Asymmetrie der beiden Strahlen wird sich Belle II in wesentlichen Punkten von seinem Vorgänger Belle unterscheiden. Insbesonders wird parallel zur Aufrüstung des Detektors auch die komplette Rekonstruktionssoftware neu entwickelt. Diese Doktorarbeit beschreibt den VerteX Detector Track Finder (VXDTF), ein Mustererkennungsprogramm für Spurrekonstruktion. Seine Aufgabe ist es, im innersten Spurdetektor, dem VXD, Spuren von geladenen Teilchen zu rekonstruieren. Der VXD besteht aus zwei Teildetektoren, die jeder aus mehreren Lagen von Siliziumsensoren bestehen.Der innere Teil, der mit DEPFET-Technologie gefertigte Pixel Detektor (PXD), hat zwei Lagen und zeichnet sich durch seine hohe Auflösung und seine extrem dünnen Sensoren aus. Der äußere Teil ist der mit vier Lagen von doppelseitigen Streifensensoren ausgestattete SVD. Er zeichnet sich durch seine hohe Zeitauflösung und die schnelle Auslösezeit aus. Der SVD wurde in am Institut für Hochenergiephysik in Wien entwickelt und wird nun in Kollaboration mit anderen Instituten fertig gebaut. Von den beiden Teildetektoren kann nur der SVD zur Rekonstruktion in Echtzeit benützt werden. Die im SVD gefundenen Teilchenspuren werden dann in den PXD extrapoliert und definieren dort jene Regionen, die tatsächlich ausgelesen werden. Dieser Mechanismus der Datenreduktion ist notwendig, weil der PXD mit seinen rund 8 Millionen Pixeln mit je 8 Bit Auflösung und 50.000 "Bildern'' in der Sekunde zu viele Daten aufnimmt, als dass man diese komplett auslesen und auf Dauer speichern könnte. Der Schwerpunkt des VXD liegt deshalb auf der Rekonstruktion von Teilchenspuren innerhalb des SVD, wobei das Ziel ist, auch niederenergetische Spuren mit einem Transversalimpuls von lediglich 50 MeV/c zu rekonstruieren. Dazu stehen lediglich vier Lagen von Sensoren zur Verfügung, sodass die Redundanz der Messung sehr gering ist. Auch werden solche Spuren stark durch stochastische Materialeinflüsse gestört. Nicht zuletzt wird die Rekonstruktion durch einen hohen, vom Beschleuniger selbst erzeugten Untergrund erschwert. Diese Doktorarbeit beschreibt kurz den Belle II Detektor und den SuperKEKB Speicherring. Weiters werden die zu erwartenden Eigenschaften der Kollisionsprodukte und des Untergrunds beschrieben. Die sich daraus ergebenden Konsequenzen auf die Methodik der Spurrekonstruktion werden diskutiert. Die Komponenten des VXDTF werden im Detail vorgestellt. Die Leistungsfähigkeit der Spurrekonstruktion wird anhand von simulierten Daten samt hinzugefügtem Untergrund analysiert und gemessen. Der Spurfinder wurde auch bei einem Teststrahl im deutschen Forschungszentrum DESY eingesetzt, sodass sich der VXDTF auch anhand von echten Sensordaten bewähren musste. Die Resultate dieses Tests werden ebenfalls präsentiert. Zuletzt werden noch Ausblicke auf die nächsten Schritte gegeben, sowie der erweiterte VXDTF 2 vorgestellt. Die Leistungsfähigkeit des VXDTF ist kurz zusammengefasst die folgende.. Die Rekonstruktionseffizienz für Zerfälle von Upsilon-Resonanzen bei vollem Untergrund liegt bei einem Durchschnittswert von etwa 87\%. Für niederenergetische Spuren mit einem transversalen Impuls von 100 MeV/c liegt die Effizienz noch über 80\%, während sie für 50 MeV/c auf etwa 65\% abfällt.

The Belle II experiment is currently under construction in the KEK laboratory in Tsukuba, Japan. It will record events produced by the world's only second-generation B factory, the SuperKEKB collider, an asymmetric electron-positron storage ring with 3 km circumference. Neither the detector of the predecessor experiment Belle nor its reconstruction software would have been able to deal with the amount of events expected and their properties. Therefore the entire event reconstruction software was redesigned from scratch, while crucial parts of the Belle detector were improved and rebuilt to form the new Belle II detector. This thesis describes the VerteX Detector Track Finder (VXDTF). Its task is to reconstruct tracks in the innermost tracking detector, the VXD, a silicon based detector consisting of two parts, the PXD with two layers of pixel sensors using DEPFET technology, and the SVD with four layers of double-sided silicon strip sensors. The potential amount of data recorded by the PXD with its 8 million pixels with 8-bit depth each, read out with about 50,000 readout frames per seconds, cannot be stored, unless a data reduction by a factor of about 10 can be performed. To this end, the VXDTF will be deployed to reconstruct tracks in the SVD in real time. These tracks are then extrapolated to the PXD where they define regions of interest, that are then read out. The focus of the VXDTF therefore lies on full event reconstruction in the SVD only, with an additional emphasis on low-momentum tracking down to a transverse momentum of 50 MeV/c. Such low-momentum tracks can be reconstructed only by a track finder operating in the innermost tracking detector. Given the small number of sensor layers in the SVD, the VXDTF hast to deal with little redundancy, with the stochastic disturbances due to material effects that are particularly strong for low-momentum tracks, and with the increased background level caused by the high luminosity of the collider. This thesis describes the detector Belle II, the machine SuperKEKB and their features; illustrates how typical events recorded by the SVD look like; describes the details of the VXDTF implementation; analyzes its performance on simulated events of Upsilon decays with realistic background; reports its performance at a combined beam test where PXD and SVD sensors were jointly tested in an electron beam at the DESY laboratory. Finally, it describes the next steps regarding the VXDTF and its successor, the VXDTF 2, which is also described in this thesis. The performance of a current version of the VXDTF can be summarized as follows. The reconstruction efficiency of the VXDTF for Upsilon events with full background included is about 87% for all simulated tracks creating enough hits in the SVD to be able to reconstructed. For tracks with a transverse momentum of 100 MeV/c the efficiency is still above 80% and for 50 MeV/c it is about 65%.