Návrh nového vertex detektoru pro studium CP narušení v exp. Belle II. Z. Doležal, Z. Drásal

Transkript

1 Návrh nového vertex detektoru pro studium CP narušení v exp. Belle II Z. Doležal, Z. Drásal

2 Obsah Fyzikální motivace (zlatý kanál J/Ψ Ks) Detektor Belle x Belle II Upgrade vnitřního detektoru PXD, SVD Belle II: pixelový detektor, technologie Depfet Belle II: optimalizace vnitřního detektoru a jak se to dělá? Mokka & Geant4 simulace průchodu materiálem Marlin & rekonstrukce digitizace, clustering, tracking, vertexing Předběžné výsledky 2

3 Fyzikální motivace - golden channel Zlatý kanál: Upsilon(4S) B0 + B0bar B0 (B0bar) mezony vzájemně oscilují ( quantum state entanglement ) CP side (CP = -1): B (B ) J/Ψ + Ks ; J/Ψ µµ; Ks ππ 0 0bar Oscilace v sektoru B mezonů Tag side ( označí podle znaménka B0,resp. B0bar): B0 (B0bar) D*-(+) + π+(-); D*-(+) D0 + π(+); D0 π+ + K důležitý tracking + PID (K/π separace) důležitý vertexing (prost. rozlišení PXD+SVD) Není možné měřit s takovým čas. rozlišením nutné transformovat měření času na měření vzdálenosti: 3

4 Fyzikální motivace - golden channel pokračování Feynmanovy diagramy ( flavour non-specific state & time dependent CP asymmetry ): díky CP narušení je rozp. šířka (B0 CP side) (B0bar CP side) 4

5 Upgrade detektoru Belle KLM (KL/µ detekce + návrat mag. toku): RPC ECL (elektromag. kalorimetr): CsI (Tl) 16X0 PID (particle identif.separace K/π): ACC (aerogel Cherenkov) TOF (time of flight) + CDC (de/dx) RICH (ring image Cherenkov) + TOP (time of propagation) + CDC (de/dx) Be vak. trubice: 15 mm 10 mm 1.5T solenoid. mag. pole CDC (tracking, de/dx): malé drátové cely náplň He/H2C6 dále od interakce, lepší rozlišení v R-Phi i v Z (více stereo vrstev) VTX (vertexing): SVD (4 vrstvy DSSD) PXD (2 vrstvy DEPFET) + SVD (4 vrstvy DSSD) 5

6 Upgrade vertex detektoru (PXD+SVD) Belle 4 vrstvy stripových detektorů (DSSD oboustranné 20, 43.5, 70, 80 mm pouze v centrální oblasti ( barrel type ) Belle II 2 vrstvy pixelových detektorů typu 13,18 mm lepší rozlišení vertexů 4 vrstvy stripových detektorů 38, 80, 115, 140 mm robustnější tracking & vyšší Ks eff. detektory v centrální i dopředné oblasti ( barrel & forward type ) nová technologie SVD read-out chipů (VA1TA APV25) redukce okupance v důsledku nárůstu pozadí 6

7 PXD & technologie DEPFET Depfet - DEpleted P-channel Field Effect Transistor Hloubkový n-implantát vytváří potenc. min (tzv. internal gate) pro elektrony tvořící signál a ty pak modulují proud tekoucí strukturou FET (zesílení cca 400 pa/e), náboj je odstraněn pomocí clear Fully depleted: velký signál, rychlý sběr FET struktura on jen při čtení: malý odběr Průřez aktivní buňkou DEPFET + zobrazení základního principu detekce částic (MOSFET struktura využívající tzv. sidewards depletion ) + vyčítání Lokalizované potenc. minimum, vnitřní zesílení: nízka kapacita, nízký šum Plný clear: vyčtení (signálu+noise) - noise 7

8 Belle II & Depfet PXD 2 vrstvy - 50 µm silný Si senzor (zanedbatelný vliv MS) obvod zpevněn 450 µm silný Si elektronika integrována na modulu (switcher, DHP zero suppression, digitalizace signálu) optimalizace:? tloušťky (50 x 75 x 100 µm),? rozteče pixelů v Z ( pxl) & R-Phi (briketová struktura),? proměnlivá rozteč nebo konst. (VPSxCPS), vzdálenosti od int. bodu (okupance, vliv pozadí),? redukce dat, optimalizace:? chlazení (~150W - PXD) detektor upevněn přímo na vak. trubici optimalizace:? vlivu úhlu HER(e-)xLER (e+) na mechaniku a rozl. PXD design PXD ladder 8

9 Optimalizace vertex. detektoru Optimalizace PXD+SVD snaha dosáhnout nejlepších detekčních vlastností z hlediska fyziky, kterou měříme Studium: Impact parameter resolution v Z a R-Phi rekonstrukcí jednotlivých mionových drah (particle gun & single part. tracks) úplnou rekonstrukcí zlatého kanálu, resp. dalších fyz. zajímavých kanálů Vertex resolution (studium zlatého kanálu) Parametry: Poloměr vak. trubice 15 mm x high 10 mm) Úhel mezi HER x LER Velikost pixelů (10 µs, 20 µs), velikost stripů ( intermediate strips ) Tvar pixelů (konstantí velikost (CPS), proměnlivá velikost (VPS), briketová struktura ) Množství aktivního a pasivního materiálu (vak. trubice, tloušťka křemíku,...) 9

10 Simulace software framework 2 typy software: BASF (Belle AnalysiS Framework) & ILC framework BASF simulace detektoru Belle (ref. výsledky, detailní studium fyz. kanálů) ILC přizpůsoben pro Belle & implementace geom. Belle II (optimalizace + predikce pro Belle II) Simulation Reconstruction LCIO (persistency data model) LCCD Pythia Mokka Generator (Geant4) Marlin LCIO ROOT HEPEvt (ASCII) Generated events GEAR (XML) Geometry information Schéma ILC softwaru 10

11 Simulace BelleII Mokka Beam pipe: válcovitého tvaru, onion-like structure vnitřní zlatá vrstva (10 µm), vnitřní Be vrstva, parafín (aktivní chlazení), vnější Be vrstva PXD: 2 vrstvy DEPFET det. uspořádaných do wind-mill struktury ( layer ladder sensor + rims ) Pxl layer 0 Pxl layer 1 R [mm] # ladders 8 10 support no no 11

12 Simulace Belle II Mokka pokr. SVD: 4 vrstvy DSSD v centrální části a 2 v dopředné Strip Strip Strip Strip Strip Strip Strip layer layer layer layer layer layer layer R [mm] # ladders # DSSDs barrel barrel barrel-slanted barrel barrel-slanted barrel barrel-slanted CDC: Central Drift Chamber Al válec naplněný směsí He a C2H6 (50%/50%) +Z 12

13 Simulace Belle II digitizace signálu PXD+SVD: realistická simulace odezvy detektoru (digitizace) CDC: gaussovské rozmití signálu Ukázka digitizace strip. detektorů: Fyz. parametry: závěrné a vyprázď. napětí (bias a depl. voltage), teplota, kapacitní vazby, šum Geometry: transformace z glob. do lokálního ref. systému (Gear & Gear interface) Fyz. procesy: Generace e-h párů podél dráhy Drift e-h párů v elektrickém poli Difuze e-h párů vlivem mnohonásobných kolizí Lorentz. odklon e-h párů v mag. poli Přidání vzájemných přeslechů způsobených vlivem vzájemné kapacitní vazby (crosstalk), důležité pro stripy bez read-outu Generace gaussovského šumu (vliv elektr.) 13

14 Simulace Belle II clustering PXD+SVD: clustering (grupování signálů z jednotlivých cel do prostorové informace - hitu) je založen na algoritmu COG (zatím bez eta korekce na neuniformitu sběru náboje mezi jednotlivými celami) CDC: gaussovské rozmytí pozice hitu + cov je dána charakteristikami Gausse Ukázka clusteringu strip. detektorů: Seed strip & sousední stripy nalezeny použitím S/N cutu (nezávisle v Z a R-Phi) Hit rekonstruován použitím COG algor. všechny kombinace Z & R-Phi tvoří hity (vznik tzv. ghost hitů) MC truth použita k simulování residuálů a rozlišení detektorů Geometry: transformace z lokál. ref. systému do globálního SVD (Belle II) rozlišení v R-Phi 14

15 Simulace PXD Belle II CPS x VPS (high current option)? VPS (variable pixel size) x CPS (const. pixel size): hl. ideou VPS je mít konst. rozlišení podél Z Z pitch/(s/n) Konfigurace R [mm] L [mm] p0 [µm] pn[µm] pm [µm] 1.vrstva CPS vrstva CPS vrstva VPS vrstva VPS efekt není tak výrazný + nutné dodatečné drift. pole v Depfetu (VPS zamítnuta) 15

16 Simulace PXD Belle II briketová struktura v R-Phi? Bricked structure (B) :pixely v R-Phi jsou vzájemně posunuty o 1/2 rozteče Výhody: očekávané lepší rozlišení v R-Phi Nevýhody: briket. struktura možná jen v R-Phi (read-out řádky) B: rozteč v R-Phi 70 µm (technolog. dosažitelná) U: rozteč v R-Phi 50 µm Briketová struktura díky tech. omezení (B 70 µm x U 50 µm) je výrazně lepší nebriketová strukt. 16

17 Simulace Belle II pattern recognition & track fitting Pattern recognition: algoritmus, hledajicí hity, které patří k 1 tracku Track fitting: helix + Kalman filter (korigující dráhu částice na vliv materiálu ) pattern recognition, track fitting realizován separátně pro Si tracky (ILC soft) a CDC tracky (LEP tracking algoritmus) Track merging: kombinace Si a CDC tracků přiřazení zbývajících hitů refit (Kalman filtr) V Charakteristiky tracku: d0, z0, 1/R, φ, tan(λ) d0 vzdálenost k PCA v R-Phi z0 vzdálenost k PCA v Z PCA point of closest approach 17

18 Impact parameter resolution (single mion tracks) v Belle x Belle II Belle x Belle II (PXD (1600 pixelů v Z)): Si tracking (bez CDC), jednotlivé mionové tracky (0.1 5 GeV, 35deg, 55deg) e Pr ry na i lim e Pr ry na i lim e Pr e Pr ry na i lim ry a n i lim v rámci optimalizace se hledá nejvhodnější konfigurace z hlediska rozlišení 18

19 Impact parameter resolution (golden channel): validace Belle (BASF x ILC) Belle (BASF) x Belle (ILC): full tracks (ukázka validace softwaru J/Ψ µµ) eli r P ry na i m ry na i m eli r P 10,02 19

20 Shrnutí Belle II PXD + SVD práce na optimalizaci vnitřního detektoru pokračují TDR - březen 2009 BASF simulace detektoru Belle (reference a validace nového softwaru) ILCFramework přizpůsoben potřebám BelleII (implementace Belle i Belle II geometrie), plně funkční: generace srážek (Pythia) simulace odezvy detektoru (Mokka Geant4) funkční řetězec rekonstrukce (Marlin digitizace, clustering, pattern recognition, tracking, vertexing, analýza) zbývá přidat vliv pozadí (pozadí zatím není úplně známo studie v KEKu právě probíhají) & určit finální geometrii (studie zatím také probíhají) 20