Separation von Pionen und Kaonen mit dem ATLAS TRT

Einführung

Der ATLAS (A Toroidal Lhc ApparatuS) Detektor am CERN ist für die Beantwortung vieler physikalische Fragen gebaut worden. Darunter für den Nachweis des Higgs-Bosons und die Suche nach neuen Teilchen, die z.B. durch die String-Theorie vorhergesagt werden.

Der TRT (Transition Radiation Tracker) ist ursprünglich nur für die Spurverfolgung geladener Teilchen und für Identifikation von Elektronen mittels Übergangsstrahlung gedacht.[1]

Die Diplomarbeit hat untersucht, wie weit sich der TRT für die Teilchenidentifikation durch Energieverlust verwenden lässt.

Für den Teilchenimpuls von ca. 1GeV bis 10GeV beschreibt die Bethe Formel den Energieverlust in Abhängigkeit des Teilchenimpulses. Jedoch ist die Steigung in diesem Bereich sehr klein, es wird daher nur eine geringe Teilchenidentifikationsstärke erwartet.[2]

Diese geringe Unterscheidungsmöglichkeit bietet dennoch einen Vorteil, die wenigen Kaonen von der großen Zahl der Pionen statistisch zu trennen, und damit das Verhältnis von Signal zu Hintergrund zu verbessern.

Anwendung

Das Standardmodell sagt für das Bs Meson nur eine sehr kleine CP-Verletzung voraus. Sind jedoch bisher unbekannte Teilchen an der Mischung zwischen Bs und seinem Antiteilchen beteiligt, würde sich diese CP-Verletzung deutlich erhöhen. Der Zerfall des Bs Mesons und seines Antiteilchens ist daher ein Sensor für neue Physik.[3]

Die Kaonen tauchen dabei im Zerfallskanal des Bs zu J/ψ und ϕ, und ϕ zu K+K- auf. Es entstehen immer Paare von Kaonen, die identifiziert werden müssen.

Simulation

Für die Simulation des ATLAS Detektors existiert bereits das Geant-Framework. Dieses Framework simuliert den gesamten Detektor für eine große Zahl von Ereignissen. Die dazu notwendigen Vereinfachungen gehen auf Kosten der detaillierten Simulation des TRT.

Es wurde daher erst Simulation für eine einzelne Röhre im TRT entwickelt. Diese besteht aus mehreren Schritten:

  • Energieverlust durch Ionisation des Gases
  • Drift der Elektronen im elektrischen Feld und Elektronenlawinen
  • Signalausbreitung entlang der Röhre und Signalreflexion
  • Simulation der analogen Elektronik, des ASDBLR (A Shaper Discriminator with Base Line Restoration)
  • Simulation der digitalen Elektronik, des DTMROC (Digital Time Measurement and Read Out Chip)

Für die Berechnung der Ionisation wurde HEED++ (High Energy Electrodynamics) verwendet. Magboltz berechnet danach die Elektronenlawinen, die durch die ersten Elektronen gestartet werden. Diese beiden Bibliotheken werden durch Garfield++ zusammengefasst.

Die Signalausbreitung wurde auf Dämpfung und Verzögerung vereinfacht. Die Reflexion entsteht hier durch Addition zweier Signalanteile halber Amplitude mit unterschiedlicher Weglänge.

Die HSpice Simulation für den ASDBLR konnte aus lizenzrechtlichen Gründen nicht verwendet werden. Es wurde daher eine eigene Simulation auf Basis der Daten der HSpice Simulation entwickelt. Diese Simulation bestand aus vielen Schritten, um den nicht linearen Anteilen des ASDBLR gerecht zu werden.

Die digitale Elektronik wurde mit Hilfe eines dynamischen Schwellenwertes nachgestellt. Dieser Schwellenwert wird mit dem Eingangssignal in festen Zeitabständen verglichen. Damit ergeben sich ganze Zahlen für ToTs (Time over Threshold).

Die Simulation des vereinfachten TRTs verwendet die Ergebnisse der Simulation der einzelnen Röhren. Das erlaubt eine Monte Carlo Simulation des Energieverlustes im gesamten Detektor entlang einer zufällig gewählten Bahn.

Ergebnis

Die Simulation liefert Verteilungen von ToT-Summen in Abhängigkeit von Energie und Impuls jeweils für Pionen und Kaonen. Diese Verteilungen haben für Pionen und Kaonen gleichen Impulses eine ähnliche Verteilung, aber unterschiedliche Mittelwerte. In der Simulation konnte eine Teilchenseparation von ungefähr 1σ gezeigt werden.

Referenzen

[1] E Barberio. Studies and optimisation of the transition radiation performance for the atlas trt with an improved detector simulation. Technical Report ATL-INDET-2003-013, CERN, Geneva, Dec 2002.
[2] K.Nakamura et. al (Particle Data group). Review of particle physics. Journal of Physics G, 37, 2010.
[3] Alastair. A study of Bs → J/ψϕ and Bd → J/ψK0* decays with the ATLAS experiment. PhD thesis.