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Trigger and reconstruction farms in the HERA-B experiment and algorithms for a Third Level Trigger

by Schwanke, Ullrich

Abstract (Summary)
Das HERA-$B$-Experiment am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg dient der Untersuchung der Physik von Teilchen, die $b$-Quarks enthalten. Der Schwerpunkt des Ex\-pe\-ri\-mentes liegt auf der Messung der CP-Verletzung im System der neutralen $B$-Mesonen. Es wird erwartet, dass die pr\"azise Bestimmung der CP-Asymmetrie im Zerfallskanal $B^0(\bar{B}^0)\to J/\psi K_S^0$ gro{\ss}en Einfluss auf die Weiterentwicklung des Standardmodells der Elementarteilchenphysik und g\"angiger kosmologischer Theorien haben wird. Das HERA-$B$-Experiment nutzt den Protonenstrahl des HERA-Ringes, um in Kollisionen mit einem feststehenden Target paarweise $B$-Hadronen zu erzeugen. Die Wechselwirkungen werden in einem Vorw\"artsspektrometer mit etwa 600.000 Auslesekan\"alen nachgewiesen. Aufgrund der relativ niedrigen Schwerpunktsenergie von 41.6\,GeV sind Ereignisse mit $b$-Quarks im Vergleich zu Wechselwirkungen mit leichteren Quarks um etwa sechs Gr\"o{\ss}enordnungen unterdr\"uckt. Die Selektion von Signalereignissen stellt daher eine besondere Herausforderung dar. Sie wird von einem vierstufigen Datennahme- und Triggerystem \"ubernommen, das die Ereignisrate von 10\,MHz auf etwa 20\,Hz reduziert. Neben speziell entwickelter Elektronik werden im Triggersystem mehrere hundert handels\"ubliche PCs eingesetzt. Die Computer sind in zwei so genannten PC-Farmen mit jeweils mehr als 200 Prozessoren angeordnet, die die Rechenkapazit\"at f\"ur Triggerentscheidungen und die prompte Analyse der Ereignisdaten zur Verf\"ugung stellen. Auf der einen Farm laufen schnelle Triggerprogramme mit einer Rechenzeit von etwa 1--100\,ms pro Ereignis ab. Die andere Farm rekonstruiert die Ereignisse online, bevor die Daten auf Band dauerhaft archiviert werden. Die pro Ereignis aufgewandte Rechenzeit liegt dabei im Bereich einiger Sekunden. Die vorliegende Arbeit behandelt zwei Themenkreise. Einerseits wird die technische Umsetzung der Trigger- und der Rekonstruktionsfarm beschrieben. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf den Software-Systemen, die den Farmen erforderliche Kalibrationsdaten verf\"ugbar machen und die zentrale \"Uberwachung der Ergebnisse der ablaufenden Programme gestatten. Der Hauptteil der Arbeit besch\"aftigt sich mit Algorithmen f\"ur eine dritte Triggerstufe, die zus\"atzlich zu existierenden Programmen auf der Triggerfarm zum Einsatz kommen sollen. Der Zerfall $B^0(\bar{B}^0)\to J/\psi X$ hat eine sehr klare Signatur, wenn das $J/\psi$ in ein $e^+e^-$- oder $\mu^+\mu^-$-Paar zerf\"allt. Im Triggersystem wird nach einem Paar entgegengesetzt geladener Leptonen des gleichen Typs gesucht, deren invariante Masse der des $J/\psi$ entspricht und deren Spuren von einem gemeinsamen Vertex in der N\"ahe des Targets ausgehen. Es wird davon ausgegangen, dass die Ausnutzung aller kinematischen Zwangsbedingungen ausreicht, um diesen Zerfallskanal klar von Untergrundereignissen zu trennen. Die dritte Triggerstufe soll dagegen auf Signalprozesse mit weniger kinematischen Beschr\"ankungen angewandt werden. Solche Ereignisse entstehen zum Beispiel dann, wenn zwei in der Proton-Target-Kollision erzeugte $B$-Mesonen semileptonisch zerfallen. Das Triggersystem selektiert lediglich die beiden Leptonen, die aber hier nicht von einem gemeinsamen Vertex kommen. Die dritte Triggerstufe soll f\"ur derartige Zerfallstopologien innerhalb von 100\,ms pro Ereignis weitere Kriterien zur Unterscheidung von Signal- und Untergrundprozessen aus den Daten extrahieren. In der Arbeit wird anhand von Monte-Carlo-Studien untersucht, inwieweit die Daten des Silizium-Vertexdetektors des Experimentes zur Entscheidungsfindung einer dritten Triggerstufe beitragen k\"onnen. Dabei wird die Rekonstruktion von Spuren aus der Zerfallskaskade der $B$-Hadronen zus\"atzlich zu den von der vorhergehenden Triggerstufe selektierten Lep\-ton\-en an\-ge\-strebt. Mithilfe einer schnellen Mustererkennung f\"ur den Vertexdetektor wird gezeigt, dass das Auffinden aller Spuren und die Anwendung von Triggeralgorithmen innerhalb des vorgegebenen Zeitfensters von 100\,ms m\"oglich sind. Die Bestimmung der Spurparameter nahe der Targetregion macht von der Methode des Kalman-Filters Gebrauch, um der Vielfachstreuung im Detektormaterial Rechnung zu tragen. Dabei tritt das Problem auf, dass weder der Impuls der gefundenen Spuren bekannt ist, noch die Materialverteilung im Vertexdetektor aus Zeitgr\"unden in aller Strenge ber\"ucksichtigt werden kann. Durch geeignete N\"aherungen gelingt es, eine ausreichende Genauigkeit f\"ur die Spurparameter zu erreichen. Die aufgefundenen Teilchen bilden den Ausgangspunkt f\"ur Triggeralgorithmen. Hierbei wird untersucht, welche Methoden am besten geeignet sind, um Signal- und Unter\-grund\-ereignisse voneinander zu trennen. Es erweist sich, dass das Auffinden von Spuren mit gro{\ss}em Impaktparameter aussichtsreichere Ans\"atze als eine Suche nach Sekund\"arvertices bietet.
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Bibliographical Information:

Advisor:

School:Humboldt-Universität zu Berlin

School Location:Germany

Source Type:Master's Thesis

Keywords:Physik, Astronomie Mustererkennung Physik

ISBN:

Date of Publication:10/30/2000

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