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Development of the online data reduction system and feasibility studies of 6-layer tracking for the Belle II pixel detector

Entwicklung des Echtzeit-Datenreduktionssystems und Machbarkeitsstudien zur 6-Lagen-Spurrekonstruktion für den Belle II Pixeldetektor

Münchow, David


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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-114878
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2015/11487/

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Datanreduktion , FPGA , Spurrekonstruktion , Belle II , Regionen von Interesse
Freie Schlagwörter (Englisch): datareduction , FPGA , tracking , Belle II , region of interest
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: II. Physikalisches Institut
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 02.06.2015
Erstellungsjahr: 2015
Publikationsdatum: 08.06.2015
Kurzfassung auf Englisch: The Belle II experiment, the upgrade of the Belle experiment, at KEK (High Energy Accelerator Research Organization) in Tsukuba, Japan, will be built to answer fundamental questions that are not covered by the Standard Model of particle physics. For this reason, decays should be observed with high precision.
To be able to measure all decay products with a very accurate vertex resolution, it was decided to add a Pixel Detector (PXD) with an inner radius of only 14 mm in short distance around the beam (outer radius 12.5 mm). This increases the vertex resolution and it is possible to improve the reconstruction efficiency and accuracy. Because of the short distance to the interaction point, we expect to have a background induced occupancy of up to 3% on the pixel detector. This generates an expected data rate of about 20 GB/s and exceeds the bandwidth limitations of the data storage. Based on hits in the outer detectors, back projections of particle tracks are performed and Region of Interests (ROI) on the PXD sensors are calculated. Based on those ROIs the data are reduced.
In this thesis I present my development of the ROI based data reduction algorithm as well as my feasibility studies about a future 6-layer tracking.

Online Data Reduction for Belle II
A first test with the whole DAQ integration and prototype sensors of PXD and SVD had been performed at DESY. For the verification of the ROI selection logic a full recording of in- and output data was included. With this setup I recorded 1.2·10^6 events containing in total 4.8·10^8 hits. The occupancy of originally 0.80% was reduced with my ROI selection logic by a factor of 6.9 to 0.12% by rejecting all hits outside any ROI.
In addition I investigated the ROI positioning and got a result of a distance between ROI center and hit of 17.624±0.029 with a main offset direction of pi/2 and 3pi/2. With a more accurate position of the ROIs their size could be reduced which would optimize the reduction factor.

Feasibility Studies of 6-Layer Tracking at Belle II
In this part I investigated the limitations of the currently planned system with ROI selection and cluster rescue. Furthermore I investigated if it would be possible to increase the quality of data selection by adding a 6-layer tracking, a concept which would use all unreduced data from PXD and SVD to perform a tracking. The recent system does not include the PXD data in their tracking. In my studies I focused on two cases which could cause problems at the reconstruction of events: secondary vertex and low momentum charged particles.
As an example for secondary vertex events I chose events including a K0S . I investigated that a 6-layer tracking can increase the number of reconstructable pions from K0S about 0.75% compared to the recently system. For transversal momenta of about p_t=200 MeV this increase can reach even 2%.
For an example of low momentum particles I chose a decay channel of Zc(3900)- via D*- which decays in D0 and pi-. This pion has a very small momentum and may not reach enough SVD layer for a tracking without PXD. Here my result is, that the pions with such a low transversal momentum will be below the minimum ionizing momentum region. Therefore the cluster rescue covers those pions already. The increase of a 6-layer tracking will be only 0.12%.
Kurzfassung auf Deutsch: Das Belle II Experiment, die Aufrüstung vom Belle Experiment, am KEK (Hochenergie-Beschleuniger-Forschungsorganisation) in Tsukuba, Japan, wird gebaut um z.B. fundamentale Fragen, die nicht durch das Standardmodell der Teilchenphysik erklärt werden können, zu beantworten. Zu diesem Zweck ist es notwendig, Zerfälle mit hoher Prezision zu messen.
Um in der Lage zu sein, Zerfallsprodukte mit einer hohen Vertexauflösung messen zu können, hat man sich entschlossen einen Pixeldetektor (PXD) mit einem inneren Radius von nur 14 mm mit geringer Distanz um das Strahlrohr (äußerer Radius 12,5 mm) hinzuzufügen. Dies erhöht die Vertexauflösung und es ist möglich die Rekonstruktionseffizienz und -genauigkeit zu verbessern. Auf Grund der kurzen Distanz zum Wechselwirkungspunkt erwarten wir eine Okkupanz von bis zu 3% im Pixeldetektor, die hauptsächlich durch Hintergrundeffekte verursacht wird. Diese wird eine erwartete Datenrate von etwa 20 GB/s generieren, welche die Bandbreitenbeschränkungen des Datenspeichers überschreitet. Basierend auf Treffern in den äußeren Detektoren werden Rückprojektionen von Spuren durchgeführt und „Region-of-Interests“ (Region von Interesse – ROI) auf den PXD Sensoren berechnet. Basierend auf diesen ROIs werden die Daten reduziert.
Als Hardware Plattform werden „Compute Nodes“ (Rechen Knoten – CN) verwendet die in enger Zusammenarbeit vom Institute of High Energy Physics (IHEP) in Peking zusammen mit der Justus-Liebig-Universität Gießen entwickelt wurden.
In dieser Arbeit präsentiere ich meine Entwicklung des ROI basierenden Datenre- duktionsalgorithmus sowie meine Machbarkeitsstudie über ein zukünftiges „6-Layer- Tracking“ (6 Lagen Spuhrensuche).

Online Datenreduktion für Belle II
Ein erster Test mit der vollständigen Vernetzung der DAQ und Prototypsensoren des PXD und des SVD wurde am DESY durchgeführt. Zur Verifizierung der ROI Selektions Logik wurde eine vollständige Aufzeichnung der Ein- und Ausgabedaten eingefügt. Mit diesem Aufbau habe ich 1,2·10^6 Ereignisse mit insgesamt 4,8·10^8 Treffern aufgezeichnet. Die Okkupanz wurde hierbei von ursprünglich 0,80% durch meine ROI Selektions Logik um einen Faktor 6,9 auf 0,12% rediziert unter Verwerfung aller Treffer außerhalb jeglicher ROIs.
Zusätzlich habe ich die ROI Positionierung untersucht und erhielt das Ergebnis eines Abstandes zwische ROI Mittelpunkt und Treffer von 17,624±0,029 bei einer hauptsächlichen Versatzrichtung von pi/2 und 3pi/2. Mit einer genaueren Position der ROIs, könnte ihre Größe reduziert werden was den Reduktionsfaktor verbessern würde.

Machbarkeitsstudie über ein „6-Layer-Tracking“ für Belle II
In diesem Teil habe ich die Grenzen des aktuell geplanten Systems mit ROI Selektion und „Cluster-Rescue“ (Clusterrettung) untersucht. Des weiteren habe ich untersucht ob es möglich wäre die Qualität der Daten Selektion durch ein „6-Layer-Tracking“ zu verbessern. Ein Konzept bei dem alle Daten von PXD und SVD vor der Reduktion genutzt werden würden. Das aktuelle System bezieht die PXD Daten nicht in die Spurensuche ein. In meiner Untersuchung konzentriere ich mich auf zwei Fälle bei denen es zu Problemen bei der Ereignisrekonstruktion kommen könnte: sekundäre Vertices und geladene Teichen mit niedrigem Impuls.
Als Beispiel für sekudäre Vertices habe ich Ereignisse mit K0S ausgewählt. Ich fand heraus, dass ein „6-Layer-Tracking“ die Anzahl der Rekonstruierbaren Pionen aus K0S um etwa 0,75% erhöhen kann im Vergleich zum aktuellen System. Für transversale Impulse von etwa p_t=200 MeV die Zunahme kann sogar 2% erreichen.
Als ein Beispiel für Teilchen mit niedrigem Impuls habe ich eine Zerfallskanal von Zc(3900)- über D*- welches in D0 und pi- zefällt gewählt. Dieses Pion hat einen sehr kleinen Impuls und erreicht vielleicht nicht genügend SVD lagen für eine Spurensuche ohne PXD. Hier ist mein Ergebnis, dass die Pionen mit solch niedrigen transversalen Impulsen in der minimal ionisiereden Impulsregion liegen. Hierdurch deckt das „Cluster-Rescue“ diese Pionen bereits ab. Die Zunahme durch ein „6-Layer- Tracking“ wird nur 0,12% sein.
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