| Autor(en): |
Ullrich Schwanke |
Titel: |
Trigger and reconstruction farms in the HERA-B experiment and algorithms for a Third Level Trigger |
| Gutachter: |
Hermann Kolanoski; R. Waldi; Thomas Lohse |
| Erscheinungsdatum: |
30.10.2000 |
| Volltext: |
pdf
(urn:nbn:de:kobv:11-10013958)
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| Fachgebiet(e): |
Physik |
| Schlagwörter (ger): |
HERA-$B$-Experiment, PC Cluster, Mustererkennung, Triggeralgorithmen |
| Schlagwörter (eng): |
HERA-$B$ experiment, PC cluster, pattern recognition, trigger algorithms |
| Einrichtung: |
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I |
| Zitationshinweis: |
Schwanke, Ullrich:
Trigger and reconstruction farms in the HERA-B experiment and algorithms for a Third Level Trigger;
Dissertation,
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I , publiziert am 30.10.2000, urn:nbn:de:kobv:11-10013958
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| Abstract (ger): |
| Das HERA-$B$-Experiment am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY)
in Hamburg dient der Untersuchung der Physik von Teilchen, die
$b$-Quarks enthalten. Der Schwerpunkt des Ex\-pe\-ri\-mentes liegt auf
der Messung der CP-Verletzung im System der neutralen $B$-Mesonen.
Es wird erwartet, dass die pr\"azise Bestimmung
der CP-Asymmetrie im Zerfallskanal $B^0(\bar{B}^0)\to J/\psi K_S^0$
gro{\ss}en Einfluss auf die Weiterentwicklung des Standardmodells
der Elementarteilchenphysik und g\"angiger kosmologischer Theorien
haben wird.
Das HERA-$B$-Experiment nutzt den Protonenstrahl des HERA-Ringes,
um in Kollisionen mit einem feststehenden
Target paarweise $B$-Hadronen zu
erzeugen. Die Wechselwirkungen werden in einem Vorw\"artsspektrometer
mit etwa 600.000 Auslesekan\"alen nachgewiesen. Aufgrund der
relativ niedrigen Schwerpunktsenergie von 41.6\,GeV sind Ereignisse
mit $b$-Quarks im Vergleich zu Wechselwirkungen mit leichteren
Quarks um etwa sechs Gr\"o{\ss}enordnungen unterdr\"uckt. Die
Selektion von Signalereignissen stellt daher eine besondere
Herausforderung dar. Sie wird von einem vierstufigen Datennahme-
und Triggerystem \"ubernommen, das die Ereignisrate
von 10\,MHz auf etwa 20\,Hz reduziert. Neben speziell entwickelter
Elektronik werden im Triggersystem mehrere hundert handels\"ubliche
PCs eingesetzt. Die Computer sind in zwei so genannten PC-Farmen
mit jeweils mehr als 200 Prozessoren angeordnet, die die
Rechenkapazit\"at f\"ur Triggerentscheidungen und die
prompte Analyse der Ereignisdaten zur Verf\"ugung stellen.
Auf der einen Farm laufen schnelle Triggerprogramme mit einer
Rechenzeit von etwa 1--100\,ms pro Ereignis ab. Die andere Farm
rekonstruiert die Ereignisse online, bevor die Daten auf
Band dauerhaft archiviert werden. Die pro Ereignis aufgewandte
Rechenzeit liegt dabei im Bereich einiger Sekunden.
Die vorliegende Arbeit behandelt zwei Themenkreise. Einerseits
wird die technische Umsetzung der Trigger- und der
Rekonstruktionsfarm beschrieben. Besonderes Augenmerk liegt
dabei auf den Software-Systemen, die den Farmen erforderliche
Kalibrationsdaten verf\"ugbar machen und die zentrale \"Uberwachung
der Ergebnisse der ablaufenden Programme gestatten.
Der Hauptteil der Arbeit besch\"aftigt sich mit Algorithmen
f\"ur eine dritte Triggerstufe, die zus\"atzlich zu
existierenden Programmen auf der Triggerfarm zum Einsatz kommen sollen.
Der Zerfall $B^0(\bar{B}^0)\to J/\psi X$ hat eine sehr klare
Signatur, wenn das $J/\psi$ in ein $e^+e^-$- oder $\mu^+\mu^-$-Paar
zerf\"allt. Im Triggersystem wird nach einem Paar entgegengesetzt
geladener Leptonen des gleichen Typs gesucht, deren invariante
Masse der des $J/\psi$ entspricht und deren Spuren von einem
gemeinsamen Vertex in der N\"ahe des Targets ausgehen. Es wird davon ausgegangen, dass
die Ausnutzung aller kinematischen Zwangsbedingungen
ausreicht, um diesen Zerfallskanal klar von Untergrundereignissen
zu trennen. Die dritte Triggerstufe soll dagegen auf Signalprozesse
mit weniger kinematischen Beschr\"ankungen angewandt werden.
Solche Ereignisse entstehen zum Beispiel dann, wenn zwei in
der Proton-Target-Kollision erzeugte $B$-Mesonen semileptonisch
zerfallen. Das Triggersystem selektiert lediglich die beiden Leptonen,
die aber hier nicht von einem gemeinsamen Vertex kommen. Die dritte
Triggerstufe soll f\"ur derartige Zerfallstopologien
innerhalb von 100\,ms pro Ereignis weitere
Kriterien zur Unterscheidung von Signal- und Untergrundprozessen
aus den Daten extrahieren.
In der Arbeit wird anhand von Monte-Carlo-Studien untersucht,
inwieweit die Daten des Silizium-Vertexdetektors des Experimentes
zur Entscheidungsfindung einer dritten Triggerstufe beitragen
k\"onnen. Dabei wird die Rekonstruktion von Spuren
aus der Zerfallskaskade der $B$-Hadronen zus\"atzlich zu den
von der vorhergehenden Triggerstufe selektierten Lep\-ton\-en an\-ge\-strebt. Mithilfe einer
schnellen Mustererkennung f\"ur den Vertexdetektor wird
gezeigt, dass das Auffinden aller Spuren und die
Anwendung von Triggeralgorithmen innerhalb des vorgegebenen
Zeitfensters von 100\,ms m\"oglich
sind. Die Bestimmung der Spurparameter nahe der Targetregion
macht von der Methode des Kalman-Filters Gebrauch, um
der Vielfachstreuung im Detektormaterial Rechnung zu tragen. Dabei tritt
das Problem auf, dass weder der Impuls der gefundenen Spuren bekannt ist,
noch die Materialverteilung im Vertexdetektor aus Zeitgr\"unden in aller Strenge
ber\"ucksichtigt werden kann. Durch geeignete N\"aherungen gelingt es,
eine ausreichende Genauigkeit f\"ur die Spurparameter zu erreichen. Die
aufgefundenen Teilchen bilden den Ausgangspunkt f\"ur Triggeralgorithmen.
Hierbei wird untersucht, welche Methoden am besten geeignet sind,
um Signal- und Unter\-grund\-ereignisse voneinander zu trennen. Es erweist
sich, dass das Auffinden von Spuren mit gro{\ss}em Impaktparameter aussichtsreichere
Ans\"atze als eine Suche nach Sekund\"arvertices bietet. |
| Abstract (eng): |
| The HERA-$B$ experiment at Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)
Hamburg aims at investigating the physics of particles containing
$b$ quarks. The experiment focusses on measuring CP violation in the
system of neutral $B$ mesons. It is expected that the precise
determination of the CP asymmetry in the channel $B^0(\bar{B}^0)\to J/\psi K_S^0$
will have an impact on the further development of the Standard Model of
Elementary Particle Physics and cosmological theories.
The HERA-$B$ experiment uses the proton beam of the HERA storage
ring in fixed-target mode. $B$ hadrons are produced in pairs when
protons from the beam halo interact with target nuclei. The
interactions are recorded by a forward-spectrometer with roughly
600.000 readout channels. At the HERA-$B$ centre-of-mass energy of
42.6\,GeV, the $b\bar{b}$ cross section is only a tiny fraction of the
total inelastic cross section. Only one in about 10$^6$ events contains $b$ quarks,
which turns the selection of signal events into a particular
challenge. The selection is accomplished by a four-stage
data acquisition and trigger system reducing the event rate
from 10\,MHz to about 20\,Hz. Besides custom-made electronics,
several hundreds of PCs are used in the trigger system.
The computers are arranged in two so-called PC farms with more
than 200 processors each. The PC farms provide the computing capacity
for trigger decisions and the prompt analysis of event data.
One farm executes fast trigger programs with a computing time
of 1--100\,ms per event. The other farm performs online
reconstruction of the events before data are archived on tape.
The computing time per event is in the range of several seconds.
This thesis covers two topics. In the beginning, the technical
implementation of the trigger and the reconstruction farm are
described. In doing so, emphasis is put on the software systems
which make calibration data available to the farms and which provide
a centralised view on the results of the executing processes.
The principal part of this thesis deals with algorithms for
a Third Level Trigger. This trigger is to come into operation
on the trigger farm together with existing programs. Processes of the
type $B^0(\bar{B}^0)\to J/\psi X$ have a very clean signature when the
$J/\psi$ decays to a $e^+e^-$ or $\mu^+\mu^-$ pair. The trigger
system attempts to identify two unlike-sign leptons of the same
flavour whose invariant mass matches the $J/\psi$. In later steps,
the tracks are required to originate from a common vertex
close to the target. It is assumed that these kinematic constraints
are sufficient to pick out events of this type among the copious
background processes. In contrast, the Third Level Trigger is to be
applied to signal processes with fewer kinematic constraints.
Such events occur for example when two $B$ mesons, which were
created in a proton-target collision, decay semileptonically.
The trigger system selects merely the two leptons which do not
originate from a common vertex in this case. The Third Level
Trigger has 100\,ms at its disposal to extract further criteria
from the data which can serve to distinguish between signal
and background events.
This thesis investigates with the aid of Monte-Carlo simulations
how the data of the experiment's silicon vertex detector can
contribute to the decisions of a Third Level Trigger. The trigger aims
at reconstructing tracks from the decay cascade of $B$ mesons
in addition to the leptons selected by the preceding trigger levels.
A fast pattern recognition for the vertex detector demonstrates
that the reconstruction of all tracks and
the application of trigger algorithms are possible within the
given time slot of 100\,ms. The determination of track parameters
in the target region exploits the Kalman-filter method to account
for the multiple scattering of particles in the detector material.
The application of this method is, however, made difficult by two facts.
First, the momentum of the reconstructed tracks is not known.
And, second, the material distribution in the detector cannot
be taken into consideration in detail due to timing limitations. Adequate
approximations for the momentum and the material traversed by a
particle help to accomplish a sufficient accuracy of the track parameters.
The reconstructed tracks constitute the starting point of
several trigger algorithms, whose suitability to select signal
events is investigated. Our studies indicate that the reconstruction of tracks with
large impact parameters is a more promising approach than a search
for secondary vertices. |
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