Spur- und Vertexrekonstruktion in Teilchendetektoren

Das Ziel der experimentellen Teilchenphysik ist die Erforschung der kleinsten Bausteine unserer Materie und ihrer Wechselwirkungen. Eine oft, aber nicht aus- schließlich benutzte Methode dazu ist der Einsatz von Teilchenbeschleunigern, in denen Teilchen auf hohe Energien beschleunigt und dann mit anderen Teilchen zur Kollision gebracht werden. Der zur Zeit wohl bekannteste Beschleuniger ist der LHC (Large Hadron Collider) im CERN in Genf. Im LHC werden zwei gegenlaufige Strah- len von Protonen in zwei evakuierten Strahlrohren gespeichert, auf eine davor nie erreichte Energie beschleunigt und dann an vier Stellen zur Kollision gebracht. An diesen Stellen sind große Experimente aufgebaut, die mit Hilfe von verschiedenen Arten von Teilchendetektoren die Kollisionen beobachten. Da im Mittel pro Sekunde bis zu 29 Millionen Kollisionen von Protonbundeln stattfinden, muss vor der Auf- zeichnung der Detektordaten eine strenge Selektion in Hinblick auf die physikalische Relevanz der Kollisionen oder Ereignisse stattfinden. Auf diese Weise wurde im Jahr 2012 das Higgs-Boson von zwei Experimenten am CERN entdeckt. Extrem kurzlebige Teilchen wie das Higgs-Boson oder die 1983 ebenfalls im CERN entdeckten W- und Z-Bosonen konnen nur uber ihre Zerfallsprodukte identifiziert und vermessen werden. Auch diese Zerfallsprodukte, die selbst oft wieder instabile Teil- chen sind, werden nicht direkt beobachtet, sondern mussen aus den Signalen, die sie in den diversen Detektorkomponenten hinterlassen, rekonstruiert werden. Das vorlie- gende Buch beschreibt und erklart die wichtigsten mathematischen und statistischen Methoden, die speziell zur Rekonstruktion von geladenen Teilchen entwickelt wurden. Die Rekonstruktion erfolgt in der Regel in zwei Hauptschritten. Im ersten Schritt, der Mustererkennung, werden die Signale der Spurdetektoren zu Spurkandidaten zu- sammengefasst. Im zweiten Schritt, der Spurschatzung, werden Ort, Richtung und Impuls des Spurkandidaten mit statistischen Methoden geschatzt. Zugleich wird die Hypothese, dass tatsachlich alle Signale in einem Spurkandidaten vom gleichen Teil- chen verursacht wurden, uberpruft. Wenn erforderlich, kann dann die Zuordnung der Signale korrigiert werden. Ein der Rekonstruktion von geladenen Teilchen eng verwandtes Problem ist die Rekonstruktion der Kollisionspunkte im Beschleuniger sowie die Rekonstruktion der Zerfallspunkte von instabilen Teilchen. Die Rekonstruktion von Kollisions- oder Zer- fallspunkten erfolgt in der Regel ebenfalls in zwei Schritten, namlich Mustererken- nung und Schatzung. Wahrend die Musterkennung meist auf das Problem zuge- schnittene Algorithmen verwendet, sind die statistischen Methoden zur Schatzung sehr ahnlich denen in der Spurrekonstruktion. Den Abschluss des Buchs bilden zwei Kapitel in denen die Anwendung der zu- vor beschriebenen Methoden in den vier LHC-Experimenten sowie in zwei weiteren Experimenten in Japan und in Deutschland kurz beleuchtet wird.