COMET	  Dri*	  Chamber	  and	  Tracking
Yao	  ZHANG	  	  Ins>tute	  of	  High	  Energy	  Physics,	  Chinese	  Academy	  of	  Science	  on	  behalf	  of	  the	  COMET	  Collabora>on	  	  INSTR17,	  Novosibirsk

Outline• Overview	  of	  COMET	  • Cylindrical	  dri*	  chamber	  (CDC)	  – design	  overview	  – construc>on	  – Prototype	  test	  and	  CDC	  cosmic	  ray	  test	  • Oﬄine	  tracking	  – tracking	  algorithm	  – performance	  2017-­‐02-­‐28

INSTR17	  Novosibirsk

2µ-­‐e	  Conversion• Charged	  Lepton	  Flavor	  Viola>on	  	  – Forbidden	  by	  the	  Standard	  Model	  – B(µ-­‐>eγ)~O(10-­‐54)	  for	  SM	  +	  ν	  oscilla>on	  • Muon	  to	  electron	  conversion	  in	  nuclei	  without	  neutrino	  emission,	  not	  observed	  so	  far	  – µ-	  +Ν(A,Z)->e-+Ν(A,Z)	  • Event	  signature:	  a	  single	  mono-­‐energe>c	  electron	  of	  ~105MeV	  (for	  Aluminum)	  – Esignal=Mμ-­‐me-­‐Ebinding-­‐Erecoil	  2017-­‐02-­‐28

INSTR17	  Novosibirsk

3

COherent	  Muon	  Electron	  Transi>on	  (COMET)

2017-­‐02-­‐28

INSTR17	  Novosibirsk

4The	  COMET	  Collabora>on182+	  collaborators	  32	  ins>tutes,	  15	  countries
2017-­‐02-­‐28

INSTR17	  Novosibirsk

5Overview	  of	  the	  COMET	  Experiment• Aiming	  O(10-­‐17)	  sensi>vity(Phase-­‐II)	  • 10,000	  beber	  than	  current	  limit	  • C-­‐shape	  µ-­‐	  transport	  solenoid	  • Highly	  suppress	  beam	  BG	  • C-­‐shape	  e-­‐	  transport	  solenoid	  • suppress	  DIO+beam	  BG2017-­‐02-­‐28

INSTR17	  Novosibirsk

6

COMET	  Phase-­‐I
1. search	  for	  μ−e	  conversion	  – >1017of	  stopping	  muons	  are	  required	  – signal	  sensi>vity	  3.1	  ×	  10−15	  (100	  >mes	  beber	  than	  current	  limit)	  2. Background	  measurement	  for	  Phase-­‐II	  – Intrinsic	  background:	  Muon	  Decay	  In	  Orbit	  (DIO)	  • Excellent	  momentum	  resolu2on	  ~200keV	  2017-­‐02-­‐28

INSTR17	  Novosibirsk

7

COMET	  Phase-­‐I	  Detector	  -­‐-­‐	  CyDet• A	  large	  Cylindrical	  dri*	  chamber	  in	  a	  1T	  	  solenoid	  magnet	  • Trigger	  hodoscope	  (Plas>c	  scin>llator	  +	  Cherenkov)
2017-­‐02-­‐28

INSTR17	  Novosibirsk

8

COMET	  Cylindrical	  Dri*	  Chamber(CDC)•20	  sense	  wire	  layers	  – including	  2	  guard	  layers	  •All	  stereo	  layer	  – Stereo	  angle	  +-­‐	  4	  degrees	  -­‐>	  σz~3mm	  •Cell	  size	  – ~16.8	  x	  16	  mm2	  •Anode	  wire	  – Au	  plated	  W,	  φ	  25um	  •Field	  wire	  – Al,	  φ	  126um	  •– Helium	  based	  gas	  (Isobutane,	  Ethane	  or	  Methane)	  – Volume:	  2084L	  1577•
	  Geometric	  acceptance	  ignores	  electrons	  with	  p<60	  MeV/c
2017-­‐02-­‐28Gas	  mixture	  	  INSTR17	  NovosibirskReadout	  – 104	  RECBE	  Boards
9CDC	  Construc>on• CDC	  construc2on	  completed	  in	  June	  2016	  – About	  20,000	  wires	  were	  strung	  – Inner	  wall	  installed	  – Tension	  measurement	  and	  re-­‐string	  ﬁnished	  – Gas	  leakage	  below	  safety	  level	  2017-­‐02-­‐28

INSTR17	  Novosibirsk

10

Readout	  electronics
128	  pcs	  RECBE	  in	  the	  dry	  box

•The	  produc>on	  of	  128	  readout	  board	  –	  RECBE	  has	  ﬁnished	  by	  IHEP,	  China	  in	  2015	  – TDC	  Time	  resolu>on:	  1	  nsec.	  
– ADC	  Sampling	  rate	  :	  30	  MHz	  •A	  performance	  test,	  threshold	  scanning	  and	  aging	  test	  have	  been	  done	  COMET-­‐CDC	  readout	  board	  	  2017-­‐02-­‐28

INSTR17	  Novosibirsk

Automa>c	  test	  system

11CDC	  Prototype	  Test
Beam	  test	  experiment	  at	  SPring-­‐8	  without	  magne>c	  ﬁeld
•7	  sense	  layers	  +	  2	  guard	  layers	  (1	  is	  dummy)	  •Same	  wire	  material	  and	  conﬁgura>on	  as	  CDC	  •Study	  diﬀerent	  gas	  mixture	  and	  op>mize	  high	  voltage	  and	  threshold	  GasEﬃciency best	  Spa2al	  resolu2on

He:C2H6	  	  50:50

99%

140µm

He:IC4H10	  90:10

97%

166µm

Current	  CDC	  design	  can	  reach	  the	  COMET	  Phase	  I	  ’s	  requirements	  2017-­‐02-­‐28

INSTR17	  Novosibirsk

12

•

•

CDC	  Cosmic	  Ray	  Test
HV	  side

Cosmic-­‐ray	  test	  stage-­‐1	  (with	  8	  RECBEs)– Data	  taking	  started	  from	  August	  2016	  readout	  side

1st	  cosmic-­‐ray	  analysis	  is	  done	  – Spa>al	  resolu>on	  ~150µm	  (middle	  of	  cell)	  – Hit	  eﬃciency:	  98%

Preliminary
PreliminaryGas	  mixture	  :	  He	  -­‐	  iC4H10(90/10)@1850V
2017-­‐02-­‐28

INSTR17	  Novosibirsk

13

Tracking	  Procedure•••Signal	  track	  BG	  hit	  merge	  Detector	  response

Hit	  Selec>on

Simula>on	  indicate	  	  signal/noise	  •challenge:	  mul2-­‐turn•Fiqng	  with	  Kalman	  ﬁlter	  2017-­‐02-­‐28

Fiqng

itera>on	  	  INSTR17	  Novosibirsk

Finding•••

Find	  tracks	  Find	  turns	  Decide	  ini>al	  track	  value	  14Hit	  Selec>on•••

Hit	  selec>on	  using	  Gradient	  Boosted	  Decision	  Trees	  (GBDT)	  and	  Reweighted	  Inverse	  Hough	  Transform	  Classify	  hits	  using	  features:	  local,	  neighbor,	  Hough	  transform	  Fit	  track	  with	  random	  hit	  collec>on	  (RANSAC)	  • Red:	  background	  • Blue:	  signal	  hits	  Separa>on	  between	  background	  and	  signal	  hits	  is	  clear	  99	  %	  of	  background	  can	  be	  rejected	  while	  keeping	  99%	  of	  the	  signals
2017-­‐02-­‐28

INSTR17	  Novosibirsk

15

Track	  Finding• Hough	  transforma>on	  – Clustering	  neighbor	  layer	  hits	  – Conformal	  mapping	  and	  Hough	  transform	  – 3D	  Hough	  transform	  – Circle	  ﬁqng

Eﬃciency	  is	  greater	  than	  90%	  when	  random	  occupancy	  @	  1st	  layer	  <	  15%2017-­‐02-­‐28

INSTR17	  Novosibirsk

16

Track	  Fiqng	  (1)• genﬁt2	  based	  ﬁqng	  using	  Kalman	  ﬁltering(DAF)	  	  • Mul>-­‐turn	  ﬁqng	  based	  on	  neighboring	  hits	  pile-­‐up	  pabern	  	  – Ini>al	  track	  from	  smeared	  MC	  truth	  – “Divide”	  sequen>al	  hits	  in	  same	  layer,	  odd/even,	  ﬁrst/last	  90	  deg	  turn	  – Make	  ~50	  diﬀerent	  sets	  of	  hit	  candidates	  – Fit	  for	  each	  set	  and	  keep	  if	  ﬁt	  result	  is	  “good”	  (NDF>20)	  – Using	  remaining	  hits,	  repeat	  ﬁt	  procedure	  – Compare	  pz	  of	  1st	  and	  2nd	  max.	  momentum	  tracks	  – If	  diﬀerence	  of	  pz	  is	  smaller	  than	  20	  MeV/c,	  ﬁnish

2017-­‐02-­‐28

INSTR17	  Novosibirsk

17

Track	  Fiqng	  (2)• Due	  to	  the	  importance	  of	  the	  reliability	  another	  ﬁqng	  algorithm	  is	  developed	  for	  cross-­‐check	  • Mul>-­‐turn	  ﬁqng	  based	  on	  hit	  compe>>on	  1. Fit	  track	  with	  diﬀerent	  turn	  hypothesis	  in	  parallel	  2. Hits	  associated	  to	  at	  least	  one	  track	  and	  calc.	  assignment	  weight	  to	  each	  track	  3. Hits	  compe>>on	  using	  weighted	  mean	  4. Fit	  tracks	  itera>vely	  with	  annealing	  scheme	  to	  avoid	  local	  minimum
one	  hit	  associated	  with	  two	  tracks
The	  possibility	  of	  hit	  i	  assigned	  to	  track	  j	  is	  deﬁned	  as	  matrix	  Φ
1st	  turn	  track
Assignment	  weight	  of	  hit	  i	  to	  track	  j
2nd	  turn	  track

Hit	  assignment	  weight	  of	  each	  hit	  during	  itera>onﬁbed	  momentum	  at	  each	  itera>on	  measured	  dri*	  circle
ﬁbed	  doca	  circle
ﬁbed	  track
CDC	  wire2017-­‐02-­‐28

INSTR17	  Novosibirsk

18

Geometrical	  Acceptance	  and	  Tracking	  Eﬃciency
track	  quality	  cuts

Acceptance	  a*er	  geometry	  cuts
Single-­‐turnMul2-­‐turn

NCDC	  hit	  >0

0.34

0.17

Hit	  2	  CTH	  layers

0.21

0.13

Hit	  CTH	  indirectly

0.19

0.12

2	  CTH	  neighbor	  pairs

0.16

0.10

Tracking	  eﬃciency	  Single-­‐turnMul2-­‐turnTotal

Geometrical	  acceptance

0.16

0.10

0.26

Tracking	  eﬃciency	  a*er	  Quality	  cut

0.71

0.72

Total

0.11

0.072

0.18

The	  total	  eﬃciency	  is	  es>mated	  as	  18%,	  146	  days	  for	  Phase-­‐I	  2017-­‐02-­‐28
INSTR17	  Novosibirsk

19

Momentum	  Resolu>ongas	  mixture	  He:i-­‐C4H10	  (90:10)	  posi>on	  resolu>on	  ~200	  µm

•Tail	  part	  s>ll	  need	  study	  with	  more	  realis>c	  track	  ﬁnding	  and	  ﬁqng	  	  1.
2.

including	  noise	  ﬁqng	  input	  from	  track	  ﬁnding	  •The	  core	  part	  of	  resolu>on	  of	  the	  total	  momentum	  is	  below	  200keV/c	  2017-­‐02-­‐28

INSTR17	  Novosibirsk

20Summary• The	  construc>on	  of	  COMET	  dri*	  chamber	  is	  accomplished	  • Cosmic	  ray	  test	  and	  analysis	  have	  started	  • Track	  ﬁnding	  and	  ﬁqng	  for	  CDC	  are	  s>ll	  in	  progress	  • Momentum	  resolu>on	  can	  meet	  the	  requirements	  of	  COMET	  experiment	  Thank	  You!	  
2017-­‐02-­‐28

INSTR17	  Novosibirsk21