Track Reconstruction at the First Level Trigger of the Belle II Experiment

Das Belle II Experiment ist ein Upgrade des Belle Experiments, das wesentlich zur Bestatigung der Kobayashi-Maskawa Theorie uber den Ursprung der CP-Verletzung beigetragen hat. Der neue e+e- Beschleuniger SuperKEKB soll eine instantane Luminositat von 8x10^35 cm^-2 s^-1 erreichen und damit den Weltrekord seines Vorgangers KEKB um einen Faktor 40 ubertreffen. Belle II wird sowohl Prazisionsmessungen an B-Mesonen durchfuhren als auch Suchen nach seltenen Zerfallen, wie beispielsweise Lepton-Flavor verletzende tau-Zerfalle. Infolge der erhohten Luminositat wird auch eine hohere Untergrundrate erwartet, die bereits auf der ersten Triggerstufe reduziert werden muss. Eine dominante Untergrundquelle sind Teilchen, die nicht von e+e- Kollisionen stammen, sondern von Stosen innerhalb eines Strahls oder mit Restgasmolekulen in der Strahlrohre. Die daraus entstehenden Spuren konnen durch ihren Entstehungspunkt identifiziert werden, der gegenuber dem Kollisionspunkt longitudinal verschoben ist. Im Fokus der vorliegenden Arbeit steht die 3D Rekonstruktion von Spuren in der zentralen Driftkammer des Belle II Detektors auf der ersten Triggerstufe. Die Driftkammer enthalt Drahte mit unterschiedlicher Ausrichtung: Axial-Drahte sind parallel zur z-Achse gespannt, wohingegen Stereo-Drahte gegen die z-Achse verdreht sind. Spuren, die von der z-Achse, aber nicht notwendigerweise vom Kollisionspunkt stammen, werden durch vier Parameter beschrieben: Den Azimuth- und Polarwinkel, die Spurkrummung und die longitudinale Koordinate des Entstehungspunktes („z-Vertex“). Die Spurkrummung entsteht durch ein konstantes Magnetfeld von 1.5 T entlang der z-Achse und ist umgekehrt proportional zum Transversalimpuls des Teilchens. Die Spurrekonstruktion im Trigger besteht aus zwei Stufen: ein Spurfindungsalgorithmus in der transversalen x-y-Ebene, gefolgt von einer 3D Rekonstruktion einzelner Spuren. Der Spurfinder bestimmt die Anzahl an Spuren sowie ihren jeweiligen Azimuthwinkel und ihre Krummung mittels einer Houghtransformation. Hits von Axial-Drahten entsprechen Punkten in der transversalen Ebene und werden zu Kurven in einer Hough-Ebene transformiert. Spuren werden als Kreuzungspunkte mehrerer Kurven gefunden. Die Spurparametrisierung fur diese Transformation beschreibt Halbkreise in der transversalen Ebene, die vom Ursprung nach ausen laufen. Mit dieser Definition entsprechen die Koordinaten des Kreuzungspunktes in der Hough-Ebene dem Azimuthwinkel und einer vorzeichenbehafteten Krummung, uber die man den Transversalimpuls und die Ladung der Spur erhalt. Die 3D Rekonstruktion bestimmt den Polarwinkel und den z-Vertex jeder Spur. Da die Spuren bereits durch den Spurfinder voneinander getrennt wurden, kann jede Spur separat rekonstruiert werden. Durch die Kombination von Hits der Stereo-Drahte mit der transversalen Spur konnen longitudinale Hit-Koordinaten bestimmt werden. Um die Ortsauflosung zu erhohen, werden auch die Driftzeiten der Hits berucksichtigt, die proportional zum Abstand zwischen der Spur und dem Draht sind. Anstelle einer analytischen Rekonstruktion werden mehrlagige Perzeptrons (MLPs) trainiert, ein bestimmter Typ von neuronalen Netzen. MLPs konnen nichtlineare Funktionen aus Beispieldaten lernen und lassen sich parallelisiert mit deterministischer Laufzeit ausfuhren. Die Netze erhalten die Drahtkoordinaten relativ zur transversalen Spur sowie die Driftzeiten der Hits als Eingabewerte und schatzen den Polarwinkel und den z-Vertex. Fur die Spuren einzelner Myonen wird eine durchschnittliche z-Vertex-Auflosung von (2.910+-0.008) cm erreicht, wodurch der Grosteil der Untergrundspuren unterdruckt werden kann. Im Anschluss an die Optimierung der Houghtransformation und der neuronalen Netze wird in dieser Arbeit die Triggereffizienz ausgewahlter B und tau Ereignisse untersucht. Unterschiedliche Bedingungen des Spurtriggers werden verglichen, darunter ein z-Vertex-Veto und ein Veto gegen Bhabha-Streuprozesse, die im Belle II Experiment einen zweiten dominanten Untergrund darstellen. Durch die Kombination dieser Vetos konnen selbst Ereignisse mit nur ein oder zwei Spuren getriggert werden. Fur den Lepton-Flavor verletzenden Zerfall tau -> mu gamma erreicht ein reiner Spurtrigger eine Triggereffizienz von 75% bis 77% (sechs mal hoher als ohne die 3D Spurrekonstruktion).