Rekonstruktion von niederenergetischen Teilchen im Belle II Spurdetektor

Das Experiment Belle II an der zukünftigen Kollisionsmaschine SuperKEKB ist eine Fortsetzung und Aufrüstung des Belle-Experiments im KEK in Japan. Der Beschleuniger ist der Nachfolger der asymmetrischen Elektron- Positron Kollisionsmaschine KEKB. Das Ziel des Ausbauprogramms ist eine Erhöhung der Luminosität um den Faktor 40. Eine der Stärken von Belle II ist seine Sensitivität auf Physik jenseits des Standardmodells. Die Suche nach neuer Physik konzentriert sich auf Prozesse mit "flavor changing neutral currents", insbesonders die Zerfälle von B- Mesonen. Wenn man die erhöhte Luminosität voll ausnützen will, müssen Detektor und Software für die Rekonstruktion der Zerfallsprodukte der B-Mesonen optimiert werden. Ein wichtiger Bestandteil dieses Programms ist die Rekonstruktion von niederenergetischen Pionen im silicon vertex dector (SVD) von Belle II. Das Projekt hat sich zum Ziel gesetzt, die Spursuche und die Spurschätzung zu verbessern, hinunter bis zum kleinstmöglichen Transversalimpuls von etwa 50-60 MeV/c. Dadurch kann die effektive Zahl von brauchbaren B-Zerfällen und damit das Physikpotential von Belle II deutlich gesteigert werden. Im Lauf des Projekts werden die erforderlichen Algorithmen zum Auffinden und Schätzen von niederenergetischen Spuren entwickelt werden, wobei die Spursuche ohne externe Information von anderen Spurdetektoren erfolgen soll. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die korrekte Behandlung von Materialeffekten wie vielfache Coulombstreuung und Energieverlust durch Ionisation bei sehr kleinen Impulsen bzw. Energien. Schließlich ist beim Design der Algorithmen darauf zu achten, dass sie robust sind, d.h. möglichst unempfindlich gegen Untergrund und Rauschen. Der SVD soll auch dazu benützt werden, die Datenrate des Pixel-Detektors von Belle II im technisch machbaren Bereich zu halten. Dazu werden Spuren im SVD rekonstruiert und anschließend in den Pixel-Detektor extrapoliert. Um jeden Durchstoßpunkt wird ein Bereich definiert, dessen Pixel dann zur Auslese freigegeben werden. Die Spurrekonstruktion im SVD muss daher auch in Echtzeit ausgeführt werden können. Bei Auswahl, Design und Implementierung der Algorithmen wird daher die Geschwindigkeit eine entscheidende Rolle spielen. Die globale Strategie zur Spurrekonstruktion wurde bereits formuliert und einige vielversprechende Algorithmen wurden identifiziert. Diese werden im Lauf des Projekts weiterentwickelt und an die spezifischen Bedürfnisse adaptiert werden. Sie werden anhand von simulierten Daten optimiert, validiert und vergleichend evaluiert werden. Wenn der Zeitplan für die Aufrüstung des Beschleunigers und des Experiments eingehalten wird, können abschließend erste Tests mit echten Daten duchrgeführt werden.

Das Experiment Belle II wird zur Zeit im KEK-Laboratorium in Tsukuba, Japan aufgebaut. Das wichtigste physikalische Ziel des Experiments ist die Untersuchung der sogenannten CP-Verletzung, einer fundamentalen Asymmetrie im Aufbau und den Eigenschaften unserer Materie. KEK ist dabei, den neuen Beschleuniger SuperKEKB in Betrieb zu nehmen, einen Elektron-Positron-Speicherring, in dem Elektronen und ihre Antiteilchen, Positronen, gespeichert, beschleunigt und zur Kollision gebracht werden. Die Energie der beiden Strahlen wird dabei so eingestellt, dass bei der Kollision mit großer Wahrscheinlichkeit ein Paar von B-Mesonen erzeugt wird, anhand deren Zerfälle die oben erwähnte Asymmetrie beobachtet und untersucht werden kann. Da die B-Mesonen sehr kurzlebig sind, können sie nicht direkt beobachtet, sondern nur aus ihren Zerfallsprodukten rekonstruiert werden. In einem sehr wichtigen Zerfallsmodus tritt als eines der Zerfallsprodukte ein niederenergetisches Pi- Meson (Pion) auf, das im Spurdetektor des Experiments vermessen werden kann. Da ein solches Pion nur wenige Messpunkte erzeugt, sind spezielle Ans ätze notwendig, um seine Messpunkte richtig aufzufinden und anschließend Kenngroßen wie Ladung, Richtung und Impuls zu schätzen. Im Lauf des Projekts wurden Methoden entwickelt, die das Problem mit hinreichender Effizienz und Genauigkeit lösen. Da das Experiment noch nicht in Be- trieb ist und daher noch keine Daten liefern kann, wurde die Mustererkennungsmethoden vorwiegend anhand von simulierten Daten evaluiert. Sie wurden aber auch erfolgreich in einem Teststrahlexperiment eingesetzt und somit auch mit echten Daten geprüft. Sie sind in der Softwareumgebung des Experiments Belle II implementiert und somit ein integraler und wichtiger Bestandteil der Analysesoftware. Sie tragen damit wesentlich dazu bei, dass das Experiment, das im Jahr 2018 in Vollbetrieb gehen wird, die gesteckten Physikziele erreichen kann.