Studie rekonstrukce událostí v detektoru RICH

• Thesis title in Czech: Studie rekonstrukce událostí v detektoru RICH
• Thesis title in English: Event reconstruction study for RICH detector
• Key words: pion|kaon|proton|Čerenkovovo záření|RICH|rekonstrukce
• English key words: pion|kaon|proton|Cherenkov radiation|RICH|reconstruction
• Academic year of topic announcement: 2024/2025
• Thesis type: Bachelor's thesis
• Department: Department of Low Temperature Physics (32-KFNT)
• Supervisor: Mgr. Jan Matoušek, Ph.D.
• Author: Šimon Pražský - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 24.04.2025
• Date of assignment: 25.04.2025
• Confirmed by Study dept. on: 25.04.2025

Guidelines

- Nastudování metod identifikace hadronů pomocí Čerenkovova záření, principu fungování detektoru typu RICH (Ring imaging Cherenkov).
- Seznámení s experimenty COMPASS a AMBER a způsobem zpracování dat (software PHAST, CORAL).
- Seznámení s modulem RICH1 pro rekonstrukci kroužků v detektoru RICH, který je součástí balíku CORAL.
- Pomocí dat COMPASS 2022 s mionovým svazkem a/nebo AMBER 2023-2024 s protonovým svazkem studovat závislost efektivity rekonstrukce na jejím nastavení, zejména s ohledem na polohu předpokládaného bodu emise fotonů podél dráhy částice v radiátoru detektoru.
- Prezentace výsledků na pracovních poradách kolaborací COMPASS a/nebo AMBER.

References

- COMPASS Collaboration: The Compass Experiment at CERN, Nucl. Instr. Meth. 577, 2007, http://arxiv.org/abs/hep-ex/0703049.
- COMPASS Collaboration, The COMPASS Setup for Physics with Hadron Beams, Nucl. Instrum. Meth. A779 (2015) 69–115, arXiv:1410.1797 [physics.ins-det].
- B. Adams et al., Letter of Intent: A New QCD facility at the M2 beam line of the CERN SPS (COMPASS++/AMBER), CERN-SPSC-2019-003 (SPSC-I-250), https://arxiv.org/abs/1808.00848
- C. Chatterjee, Performance study of the RICH at COMPASS experiment for hadron identification in SIDIS physics, University of Trieste, 2020, https://wwwcompass.cern.ch/compass/publications/theses/2020_phd_chatterjee.pdf.
- PHAST: PHysics Analysis Software Tools. http://ges.web.cern.ch/ges/phast/index.html.
- CORAL reconstruction web, https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/Compass/DataReconstruction/WebHome
- ROOT data analysis framework. https://root.cern.ch/.

Preliminary scope of work

Kolaborace Amber v CERN provedla experiment, jehož cı́lem je změřit účinný průřez produkce antiprotonů v interakci protonů o energiich cca 100–190 GeV s heliem, p + He → p̄ + X. Jeho znalost umožnı́ lepšı́ interpretaci toku kosmických antiprotonů, měřených spektrometrem AMS na Mezinárodnı́ vesmı́rné stanici. Pro experiment je klı́čová identifikace p̄ v koncovém stavu. Experiment Compass studoval v letech 2016–2017 a 2022 deep inelastic scattering (DIS) mionů.
Tato interakce probı́há převážně rozptylem mionu na kvarku z terče s výměnou jednoho virtuálnı́ho fotonu. Z vyraženého kvarku pak vznikajı́ hadrony, které si částečně uchovávajı́ informaci o hybnosti a směru spinu vyraženého kvarku a mohou tak odhalit, jak velká je přı́čná hybnost kvarků v protonu a zda existuje korelace mezi nı́ a spinem kvarku (tj. polarizace). Do hry ovšem vstupuje také proces tzv. fragmentace (hadronizace) kvarků. Identifikace hadronů v koncovém stavu umožní lepšı́ interpretaci výsledků.
Pro oba experimenty je tedy důležitá identifikace nabitých hadronů, které majı́ dostatečně dlouhou dobu života, aby doletěly do detektorů: π± , K± , p a p̄, které se lišı́ hmotnostı́. Hybnost hadronů se měřı́ magnetickým spektrometrem. Ring-imaging Cherenkov (RICH) detektor měřı́ jejich rychlost, která se určuje z úhlu θC produkce fotonů Čerenkovova zářenı́ vůči dráze hadronu prolétajı́cı́ho vhodným materiálem (radiátorem). Ze znalosti hybnosti a rychlosti se pak určuje hmotnost. Optika detektoru RICH fokusuje fotony letı́cı́ pod stejným úhlem do jednoho bodu. Fotony emitované pod konstantnı́m úhlem okolo dráhy částice tak převede na kroužky, které jsou detekované fotonásobiči (MAPMT) a plynovými ionizačnı́mi detektory (THGEM a MWPC).
Rekonstrukce se provádí v modulu RICH1 programu CORAL. Předpokládá se emise fotonu ze středu dráhy částice v radiátoru a jedna hypotéza pro hmotnost částice. Fotony se propagují optickými prvky až do fotodetektorů. Výsledný obraz je porovnán s naměřeným metodou maximálnı́ věrohodnosti (maximum likelihood). Věrohodnost je spočítána pro 5 hypotéz hmotnosti: π± , K± , p (p̄), e± , µ±, a pro hypotézu, že fotony pocházejí z pozadí.
Úkolem je prověřit, jaký vliv má hypotéza emise fotonu ze středu trajektorie, a jestli by bylo možné ji nahradit lepší efektivní pozicí, případně kombinací pozic. To by mohlo potenciálně vést k vylepšení efektivity rekonstrukce.