Development and improvement of track reconstruction software and search for disappearing tracks with the ATLAS experiment
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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.