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Authors: Gessinger-Befurt, Paul
Title: Development and improvement of track reconstruction software and search for disappearing tracks with the ATLAS experiment
Online publication date: 18-May-2021
Language: english
Abstract: Hochenergie-Teilchenphysik beschäftigt sich mit der fundamentalsten Art, auf welche die Gesetze der Natur verstanden werden können. Mit künstlich erzeugten Teilchenkollisionen ist es möglich, die Eigenschaften von Teilchen und deren Wechselwirkungen zu vermessen. Das Standardmodell der Teilchenphysik ist eine Kombination von Theorien, welche drei der vier fundamentalen Wechselwirkungen beschreiben können. Es dient als Grundlage zur Interpretation von Beobachtungen in der Teilchenphysik. Das Standardmodell erlaubt sehr präzise Vorhersagen und Berechnungen. Dennoch gilt es als unvollständige Theorie, da manche Phänomene, wie die Existenz von Dunkler Materie oder Neutrinooszillationen, unerklärt bleiben. Die Analyse von Teilchenkollisionen geschieht durch Messung der Teilchen, die in den Kollisionen produziert werden. Eine wichtige Komponente hierfür ist die Rekonstruktion von Spuren geladener Teilchen, sogenannter Tracks. Spezielle Sensoren sind in der Lage, Messungen entlang der Teilchenspuren vorzunehmen. Durch Kombination dieser Messungen ist es möglich, die Spuren mithilfe von Computerprogrammen zu rekonstruieren. Diese Rekonstruktion stellt große Herausforderungen an die eingesetzten Algorithmen dar, aufgrund ihrer Abhängigkeit von der Komplexität der Ereignisse. Zukünfige Erhöhungen der instantanen Luminosität erfordern daher weitere Verbesserungen dieser Algorithmen. Ein Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Verbesserung der Software, die für die Spurrekonstruktion verwendet wird. Sie leistet somit einen Beitrag, die oben genannten Herausforderungen anzugehen. Dies umfasst sowohl die Entwicklung der Software des ATLAS Experiments, als auch die Arbeit an einer vom Experiment unabhängigen Software namens ACTS. Einzelne Beiträge in beiden Bereichen werden im Detail diskutiert und erklärt. Ein Beispiel hierfür ist die Reintegration von ACTS Komponenten in ATLAS, insbesondere die Modellierung der Geometrie des ATLAS Spursystems. Des Weiteren findet sich die Beschreibung eines Ansatzes zur Behandlung von kleinen Verschiebungen der einzelnen Sensoren im Kontext einer parallelisierten Programmausführung. Außerdem wird eine Neuentwicklung der Datenstruktur, die für die Filterung von Teilchenspuren in ACTS verwendet wird, besprochen. Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschreibt eine konkrete Anwendung von Teilchenspurrekonstruktion. Eine Analyse von ATLAS Daten aus Proton-Proton Kollisionen bei √ s = 13 TeV in Form einer Suche nach einer Erweiterung des Standardmodells wurde durchgeführt. Diese Erweiterung sagt die Existenz von langlebigen Teilchen vorher, die auf dem Weg durch das ATLAS Spursystem zerfallen. Da diese geladenen Teilchen vor ihrem Zefall bereits Spursignale hinterlassen haben, erzeugen sie sogenannte verschwindende Spuren. Die hier beschriebene Analyse macht sich kürzlich verfügbar gewordene Verbesserungen in den dedizierten Algorithmen für die Rekonstruktion dieser besonders kurzen Spuren zunutze. Sie beinhaltet die erwartete Sensitivität für dieses Signalmodell mit den existierenden Daten, welche in einer erhöhten erwarteten Massenausschlussgrenze resultiert. Zusätzlich findet sich eine Vorhersage der Sensitivität mit einem größeren Datensatz.
High-energy particle physics concerns itself with the most fundamental level at which the laws of nature can be understood. Using particle collisions, it is possible to probe and measure the properties of particles and their interactions. The Standard Model of particle physics is a set of theories describing three of the four fundamental interactions, and is the baseline with which observations are interpreted. Even though the Standard Model allows precise calculations of particle phenomena, it is thought to be incomplete, as certain observations like dark matter or neutrino oscillations remain unexplained. The analysis of particle collisions requires the measurement of particles produced in these collisions. One major part of these measurements is the reconstruction of the trajectories of charged particles, called tracks. Dedicated sensitive elements are used to obtain measurements of the particle along its trajectory, in order to ultimately reconstruct the track using software algorithms. Track reconstruction is a complex application, which grows in complexity with event activity. Therefore, future increases of the instantaneous luminosity of the LHC pose a challenge and require advancements in both the computational and physics peformance of track reconstruction algorithms. One part of this thesis presents work toward the development and improvement of track reconstruction in the context of the ATLAS experiment, and an experiment-independent software toolkit called ACTS. Additionally, the effort to use ACTS components in the ATLAS software is described. Specific contributions that were made to both domains are shown, which address the aforementioned challenge. Prominent examples are the description of current and future ATLAS tracker geometries, concurrent handling of misalignments, and the improvement of data structures used for reconstruction. Another part of this thesis describes a concrete application of these reconstructed particle tracks, in the form of an analysis of data from proton-proton collisions at √ s = 13 TeV recorded by ATLAS, searching for an extension of the Standard Model. In this theoretical scenario, particles travel through the innermost part of the tracker, the Pixel detector, before decaying, resulting in so-called disappearing tracks. The analysis described here uses recent developments in the dedicated techniques used to reconstruct these short tracks to evaluate their expected sensitivity. An increase in expected sensitivity in the form of a higher expected mass limit is found to result from inclusion of new shorter tracks than were used in previous analyses. Potential for further developments is discussed in light of the LHC upgrade, and future colliders.
DDC: 530 Physik
530 Physics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-5901
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: CC-BY
Information on rights of use: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Extent: xi, 325 Seiten, Illustrationen, Diagramme
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