Resolution studies for the micro vertex detector of the P̄ANDA experiment and the reconstruction of charmed mesons for specific hadronic channels [Elektronische Ressource] / von René Jäkel

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• Physik

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• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 29
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 12 Mo

Extrait

Resolution Studies for the
Micro Vertex Detector
of the PANDA Experiment and the
Reconstruction of Charmed Mesons
for Speci c Hadronic Channels
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doctor rerum naturalium
(Dr.rer.nat)
vorgelegt
der Fakult at Mathematik und Naturwissenschaften
der Technischen Universit at Dresden
von
Dipl.-Phys. Rene Jakel
geboren am 02.07.1977 in Bautzen
20091. Gutachter : Prof. Dr. H. Freiesleben (TU Dresden)
2. Gutachter : Prof. Dr. K.Th. Brinkmann (Universit at Bonn)
Datum der Einreichung : 06.04.2009
Datum der Verteidigung: 17.07.2009Kurzdarstellung
DasPANDA Experiment wird Teil der geplanten Ausbaustufe FAIR als Erweiterung
zur GSI und wird die Untersuchung von hadronischen Reaktionen in
AntiprotonProton Annihilationen erm oglichen. Durch die zu erwartende exzellente Strahlqualit at
und hohe Luminosit at ergeben sich vielf altige M oglichkeiten zur Untersuchung von
Hadronenwechselwirkungen, wie beispielsweise die genaue Spektroskopie des
Charmoniumsystems. Um vielf altige Untersuchungen verschiedenster hadronischer
Systeme zu gew ahrleisten, wurde der Aufbau eines universellen Detektors geplant, des
PANDA Detektors. Dazu ist ein hochau osender Vertexdetektor (MVD) eine wichtige
Komponente, um im Zusammenspiel mit weiteren Detektorkomponenten zur
Spurund Vertexrekonstruktion beitragen zu k onnen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden detaillierte Simulationen durchgefuhrt, die das
Aufl osungsverm ogen des Vertexdetektors charakterisieren, ganz besonders im
Hinblick auf die Rekonstruktion verschiedener physikalischer Kan ale. Dafur war die
Entwicklung und Implementierung von Algorithmen zur Rekonstruktion der zu
erwartenden Detektordaten und deren Integration in den Spur t zur
Teilchenrekonstruktion eine Grundvoraussetzung. Dadurch ist es m oglich das Au osungsverm ogen
des MVD und des gesamten experimentellen Aufbaus unter realistischen
Bedingungen zu testen und zu optimieren. Die Spur- und Vertexrekonstruction wird anhand
+der Kan ale pp! und pp!J= evaluiert.
Der zu erwartende hadronische Untergrund stellt hohe Anforderungen an die
Selektionskraft des experimentellen Aufbaus, bezug liche der physikalischen Observablen,
dar. Dies ist besonders fur die Untersuchung des Charmoiumsystems oberhalb der
DD-Schwelle von Bedeutung, wofur kaum experimentelle Untersuchungen vorliegen
und der PANDA Detektor zukunftig einen entscheidenden Beitrag zum Verst andnis
gebundener mesonischer Systeme beitragen kann. Zust anden im Charmoniumsystem
ist es erlaubt in Open-Charm-Kan ale ( DD) zu zerfallen, die eine eindeutige
experimentelle Signaturpp!DD mittels derD-Zerf alle in geladene Teilchen im Detektor
erlauben. Im Rahmen dieser Arbeit konnte anhand zweier grundlegender Reaktionen
gezeigt werden, dass selbst unter ungunstigen Annahmen uber den zu erwartenden
Wirkungsquerschnitt, der noch nicht schwellennah vermessen wurde, das stark
unterdruc kte Signal gegenub er Untergrundereignissen hinreichend angereichert werden
kann. Dies erlaubt eine klare Identi zierung des DD Ausgangskanales, wobei die
wesentlichen Untergrundbeitr age identi ziert und diskutiert werden.ivContents
Introduction 1
1 The PANDA Physics Program 5
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Charmonium Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 Charmonium below the DD Threshold . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Charmonium above the DD Threshold . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 Gluonic Excitations - Search for Glueballs and Hybrids . . . . . . . . 13
1.3.1 Glueballs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.2 Hybrid States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4 Other Physics Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.1 Open Charm Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.2 Charm in Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4.3 Hypernuclear Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 The PANDA Detector 25
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Target Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1 Target Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.2 Micro Vertex Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.3 Central Tracking System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.4 Barrel Time Of Flight Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.5 Cherenkov Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.6 Electromagnetic Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.7 Magnet System and Muon Chambers . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3 Dipole Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.1 Forward Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.2 Particle Identi cation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4 Detector Concept for Hypernuclear Physics . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.5 Data Acquisition and Trigger Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3 The Micro Vertex Detector 43
3.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.1 Hadronic Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
v3.1.2 Consequences on the MVD Design . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2 Physics Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.1 Detection of Low Momentum Particles . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.2 Determination of the Vertex Position . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2.3 High Rate Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3 Design Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3.1 Current Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3.2 Detector Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3.3 Design Iterations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3.4 MVD in the Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4 Performance of the MVD 65
4.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2 Single Hit Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2.1 Cluster Hit Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3 Single Track Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3.1 Track Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3.2 Momentum Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3.3 Vertex Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4 Contribution to Particle Identi cation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4.1 Calculation of the Energy Loss Information . . . . . . . . . . 80
4.4.2 Separation of Di erent Particle Species . . . . . . . . . . . . . 84
4.4.3 Discussion of the PID Information . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5 Vertex Reconstruction Performance for Speci c Benchmark Channels 89
5.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.1.1 De nition of the Primary Interaction Point . . . . . . . . . . . 90
+5.2 Vertex Resolution for the Channel pp ! . . . . . . . . . . . . . 91
+5.2.1 Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
+5.2.2 Resolution of the Production Vertex . . . . . . . . . . . 93
5.3 Vertex Resolution of the J= Leptonic Decay . . . . . . . . . . . . . . 97
5.3.1 J= Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.3.2 Resolution of the J= Decay Vertex . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.4 Vertex Resolution for Di erent Readout Structure Sizes . . . . . . . . 101
5.4.1 Variation of the Pixel Cell Size . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.4.2 V of the Strip Sensor Readout Pitch . . . . . . . . . . 106
6 Physics Performance for Charmed Meson Channels 109
6.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.2 De nition of the DD Benchmark Channels . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.2.1 Reaction Cross Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.2.2 Hadronic Background Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.3 Reconstruction of Signal Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
vi+6.3.1 The Signal Channel pp !D D . . . . . . . . . . . . . . . . 117
+ 6.3.2 The pp !D D . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.4 Suppression of Hadronic Backgrounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.4.1 Simulation Demands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
+6.4.2 Background Analysis for the pp!D D Channel . . . . . . 127
+ 6.4.3 Bac for the pp!D D . . . . . 135
6.5 Expected DD Data Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Conclusive Remarks 141
A Structure of the Reconstruction Software of the Micro Vertex Detector143
A.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
A.2 Detector Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
A.3 Generation of the Digitized Data Formats . . . . . . . . . . . . . . . 146
A.4 Cluster Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Bibliography 150
Figures 163
Tables 165
Danksagung 167
Versicherung 169
viiviiiIntroduction