Kurzfassung
Gegenstand dieser Arbeit ist das Datenaufnahmesystem und die
Ereignisrekonstruktion für den Central Silicon Tracker (CST), den
Siliziumstreifen-Mikrovertexdetektor des H1-Experimentes bei HERA. Der CST
besteht aus zwei Lagen doppelseitiger Siliziumdetektoren und liefert
dreidimensionale Ortsinformation. Insgesamt 81920 Streifen werden von
speziell entwickelten Auslesechips mit einer integrierten Analogpipeline
ausgelesen, die mit der Strahlkreuzungsfrequenz von HERA (10.4 MHz)
betrieben wird. Die Zahl der Pipelinespeicher von 32 ist an die
Entscheidungszeit des Triggersystems von 2.4 µs angepaßt. Im Falle
eines akzeptierten Ereignisses werden die Signalladungen des zugehörigen
Pipelinespeichers verstärkt und zu Prozessormodulen
transferiert, wo die Digitalisierung stattfindet. Der Speicher dieser
Module ermöglicht ein 16-faches multi-event buffering, sodaß die
weitere Signalverarbeitung asynchron zu den Triggersignalen erfolgen
kann. Dabei werden schnelle Treffersuchalgorithmen zur Reduzierung des
Datenvolumens eingesetzt. Die Bestimmung und Aktualisierung von Pedestal-
und Rauschwerten für jeden Auslesestreifen erfolgt ebenfalls online durch
die Prozessormodule. Das Ziel des totzeitfreien Betriebs des
Online-Signalverarbeitungssystems bei Ereignisraten von \approx \! 100 Hz
wurde im ersten Betriebsjahr erreicht. Im Durchschnitt wird das
Datenvolumen um einen Faktor 60 reduziert.
Bei der darauffolgenden Offline-Ereignisrekonstruktion werden zunächst
Cluster mit Hilfe der Information über die getroffenen Streifen gebildet.
Die Position eines Clusters wird durch einen Schwerpunktsalgorithmus
ermittelt, wobei Korrekturen bezüglich der Ausrichtung des Detektors
berücksichtigt werden. Getrennt für die rphi- und die
R-z-Projektionen werden die Cluster dann Spuren zugeordnet, die in der
zentralen Jetkammer des H1-Experiments gemessen wurden. Die Effizienz der
Zuordnung eines CST-Clusters zu einer Spur in rphi beträgt 98%. Für
die R-z-Projektion, wo die CST-Detektoren ein schlechteres
Signal-zu-Rausch-Verhältnis haben, wurde ein Wert von 86% ermittelt.
Durch eine gemeinsame Anpassung von Cluster- und Spurparametern wird die
Genauigkeit der Spuren, die im zentralen Bereich des H1-Detektors
gemessen werden, erheblich verbessert.
Mit Hilfe dieser verbesserten Spuren wurde das Potential der CST-Messungen
für die Erkennung von schweren Quarks durch eine Studie
semi-myonischer Zerfälle von Teilchen, die schwere Quarks enthalten,
demonstriert. Aus den 1997 vom CST aufgezeichneten Daten wurden Ereignisse
mit Myonen selektiert, die einen großen transversalen Impuls haben
(pt > 2 GeV). Die Impaktparameter-Methode wurde angewandt, um
nachzuweisen, daß der Ursprung der Myonspuren vom Primärvertex
separiert ist. Eine signifikante Asymmetrie der Impaktparameterverteilung
wurde beobachtet, die in einem zum Vergleich betrachteten
Untergrund-Datensatz nicht vorliegt. Wird der b-quark-Gehalt des
Myon-Datensatzes durch härtere Schnitte erhöht, zeigt sich die
durchschnittlich längere Lebensdauer in einer stärkeren Asymmetrie der
Impaktparameter-Verteilung. Zusätzlich untersuchte Monte Carlo
Datensätze mit Myonen aus c- und b-quark-Zerfällen bestätigen die
Beobachtungen.
This thesis presents the readout system and the event reconstruction of the Central Silicon Tracker (CST), the silicon strip microvertex detector of the H1 experiment at HERA. The CST consists of two layers of double-sided silicon sensors and delivers three-dimensional position information. A total of 81920 strips are read out by custom-designed readout chips with an integrated analog pipeline that is operated at the HERA bunch crossing frequency of 10.4 MHz. The pipeline depth of 32 buffers is matched to the decision time of the central trigger of 2.4 µs. For triggered events, the signal charges from the respective pipeline buffer are amplified, multiplexed, and transferred to dedicated processor modules where they are digitized. The memory of these modules provides a 16-fold multi-event buffering, so that the subsequent online processing of the data can be performed asynchronously to the trigger signals. Fast hit finding algorithms are applied to reduce the amount of raw data. The task of determining and updating pedestals and noise values for each of the readout strips is also performed online by the processor modules. The design goal of operating the online processing system at triggered event rates of \approx \! 100 Hz without introducing dead time was achieved in the first year of operation. On average, the event size is reduced by a factor of 60. In the subsequent offline event reconstruction clusters are built from the information of the hit strip data first. The cluster position is calculated by means of a center-of-gravity algorithm taking into account alignment corrections. Separately for the rphi- and the R-z-projections, the found clusters are then assigned to tracks measured by the central jet chamber of the H1 detector. The efficiency for linking a track to a CST cluster in rphi is 98%. In R-z, where the CST detectors have a lower signal-to-noise ratio, an efficiency of 86% was measured. By means of a constrained fit, the resolution of the track parameters measured in the central region of the H1 detector is improved considerably. With these improved tracks the potential of CST measurements for heavy quark tagging was demonstrated in a study of the semi-muonic decay of particles containing heavy quarks. A sample of events with muons of high transverse momentum (pt > 2 GeV) has been selected from the data taken with the CST in 1997, and the impact parameter method was applied in order to prove that the origin of the muon tracks is separated from the primary event vertex. A significant asymmetry in the impact parameter distribution is seen which is not present in a background data sample that was selected for comparison. If the b-quark content of the muon sample is further enriched by applying harder cuts , the on average longer lifetime is reflected by a more significant asymmetry in the impact parameter distribution. This finding is supported by Monte Carlo data samples containing muons from c- and b-quark decay respectively that have been studied in addition.