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Fast track reconstruction for the high level trigger of the LHCb experiment [Elektronische Ressource] / presented by Johannes Albrecht

De
138 pages
DISSERTATIONsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and Mathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofdoctor rerum naturaliumpresented byDipl.-Phys. Johannes Albrechtborn in Heidelberg, GermanythOral examination: July 8 , 2009Fast Track Reconstructionfor the High Level Triggerof the LHCb ExperimentReferees: Prof. Dr. Ulrich UwerProf. Dr. Johanna StachelAbstractThis work presents an algorithm for fast track reconstruction in the main trackingstations for the lowest level of the LHCb software trigger. True signals of thehardware trigger are con rmed by a track with an e ciency of larger than 95 %within 1 ms. The tracking algorithm improves the momentum resolution of thetrigger objects signi cantly and can thus be used to reduce the trigger rate bya factor of two with almost no loss in e ciency. The trigger sequence based onthe fast track reconstruction in the main tracker developed within this thesis is acomplimentary approach to the existing vertex detector based trigger sequence. Ityields comparable e ciency and retention rates. The new approach signi cantlyimproves the overall robustness of the LHCb trigger system. A detailed evaluationof its performance is presented here.Additionally the complete software trigger for muons has been rewritten andoptimized.
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DISSERTATION
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
doctor rerum naturalium
presented by
Dipl.-Phys. Johannes Albrecht
born in Heidelberg, Germany
thOral examination: July 8 , 2009Fast Track Reconstruction
for the High Level Trigger
of the LHCb Experiment
Referees: Prof. Dr. Ulrich Uwer
Prof. Dr. Johanna StachelAbstract
This work presents an algorithm for fast track reconstruction in the main tracking
stations for the lowest level of the LHCb software trigger. True signals of the
hardware trigger are con rmed by a track with an e ciency of larger than 95 %
within 1 ms. The tracking algorithm improves the momentum resolution of the
trigger objects signi cantly and can thus be used to reduce the trigger rate by
a factor of two with almost no loss in e ciency. The trigger sequence based on
the fast track reconstruction in the main tracker developed within this thesis is a
complimentary approach to the existing vertex detector based trigger sequence. It
yields comparable e ciency and retention rates. The new approach signi cantly
improves the overall robustness of the LHCb trigger system. A detailed evaluation
of its performance is presented here.
Additionally the complete software trigger for muons has been rewritten and
optimized. It now allows to trigger events without a ecting the B meson lifetime
dependent acceptance nor the angular dependent acceptance of its decay products.
This is crucial for the analysis of the CP violation in the decay B! J= , one ofs
the key measurements of the LHCb physics program.
Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit werden Algorithmen fur die schnelle Spurrekonstruktion
in den Hauptspurkammern des LHCb Detektors fur die niedrigste Stufe des
Software-Triggers vorgestellt. Signalereignisse, welche vom Hardware-Trigger
selektiert wurden, werden innerhalb von 1 ms mit einer E zienz von ub er 95 %
bestatigt. Der Spur ndungsalgorithmus verbessert die Impulsau osung signi kant,
daher kann fast ohne E zienzverlust die Triggerrate halbiert werden. Die in dieser
Arbeit entwickelte Triggersequenz, basierend auf der schnellen Spurrekonstruktion
in den Hauptspurkammern, ist ein komplementarer Ansatz zur existierenden
Triggersequenz, welche auf dem Vertex-Detektor basiert. Die hier prasen tierte
Sequenz zeigt vergleichbare Signale zienzen und Untergrundraten. Der neue
Ansatz erhoh t daher deutlich die Stabilitat des Triggersystems von LHCb. Es
wird eine detaillierte Auswertung seiner Leistung prasentiert.
Weiterhin wurde der gesamte Software-Trigger fur Myonen derart umgeschrieben
und optimiert, dass es nun moglich ist, B-Mesonen zu selektieren, ohne die
Lebensdauer und Zerfallswinkel abhangige Akzeptanz zu modi zieren. Dies ist eine
wesentliche Voraussetzung der Analyse von CP -Verletzung im Kanal B! J= ,s
eine der Schlusselanalysen im Physikprogramm des LHCb Experimentes.Contents
Introduction 2
1 Theoretical background 3
1.1 The Standard Model of particle physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Quark mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 CP Violation in the Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1 Mixing of neutral B mesons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2 CP violation in the B meson system . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Signatures of New Physics in the beauty system . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.1 CP violation in the B system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12s
1.3.2 Rare decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.3 Electroweak penguin decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4 B production at the LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2 The LHCb experiment 21
2.1 Tracking System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.1 Vertex Locator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.2 Trigger Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.3 Inner Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.4 Outer Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.5 Tracking strategy and performance . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1.6 Fast momentum estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2 Calorimeter system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.1 Preshower and Scintillating Pad Detector . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.2 Electromagnetic Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.3 Hadronic Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3 Muon system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.1 Standalone muon track reconstruction . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4 Monte Carlo simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.1 Framework and applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.2 Generated events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3 The LHCb trigger system 39
3.1 The L0 hardware trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.1 The hardware muon trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.2 Theare calorimeter trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
iii CONTENTS
3.1.3 Global event veto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2 Online farm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3 High level software trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3.1 First software trigger level:
Con rmation of the hardware trigger . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.2 Second software trigger level: Final selections . . . . . . . . . . 49
4 Fast track reconstruction 53
4.1 Seed preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.1.1 Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1.2 Electrons and photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1.3 Hadrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.4 Seed extrapolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2 Hit preparation in the search window . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3 Track nding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.1 Principles of T-Station track nding . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.2 Algorithm tuning for trigger tracking . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.3.3 Performance comparison of trigger tracking algorithms . . . . . 67
4.4 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5 Track based software trigger 73
5.1 The fast kalman lter based track t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.1 Full track t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.2 Simpli ed track t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2 Hadron selection in the rst level
of the software trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2.1 Single hadron selection using the tracker . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.2 Fast track t in the hadron alley . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2.3 Summary of the hadron alley . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.3 Muon selection in the rst level
of the software trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.1 Single muon selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.2 Dimuon recovery selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3.3 Fast track t in the muon alley . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.3.4 Summary of the muon alley . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.4 Inclusive dimuon selection for the
second software trigger level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.4.1 Lifetime unbiased dimuon selection . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.4.2 biased dimuon . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.4.3 Inclusive dimuon summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.5 Trigger performance summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.5.1 Hadronic channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.5.2 Muonic channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.5.3 Electromagnetic channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95CONTENTS iii
6 Potential of LHCb to measure New Physics in B decays 97
6.1 CP violation in the B system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97s
6.1.1 Selection of B! J= events and trigger strategy . . . . . . . . 99s
6.1.2 Kinematic distributions of signal and control channels . . . . . . 101
6.1.3 Proper time distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.1.4 Angular acceptances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.1.5 Extraction of the CP violating phase . . . . . . . . . . . . . . . 106
+6.2 Rare Decays: B! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109s
6.2.1 Event selection and trigger strategy . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.2.2 Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
0 +6.3 Radiative penguin transitions: B ! K . . . . . . . . . . . . . . 111d
6.3.1 Event selection and trigger strategy . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.3.2 Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7 Summary and conclusion 115
List of Figures 117
List of Tables 119
Bibliography 121