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Pixel Sensor Evaluation and Track Fitting for the Mu3e Experiment

Kiehn, Moritz Simon Maria

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Mu3e is a proposed new experiment that searches for the lepton flavour changing muon decay µ⁺ → e⁺e⁻e⁺ with a projected sensitivity of 1 in 10¹⁶ decays. This decay is extremely suppressed in the Standard Model and an observation would be a clear sign of new physics. The muons are stopped on a target and decay electrons are measured in a magnetic spectrometer with a pixel detector. A low material budget and special algorithms are required to reconstruct the low momentum, strongly curved tracks with high precision at high rates.

In this work, I present the first systematic performance evaluation of the Mu3e high voltage monolithic active pixel sensor prototypes using test beam measurements at DESY. I showed that this novel technology allows sensor efficiencies above 99%.

In addition, I characterized a new track fit based on hit triplets. This fast fit is optimized to reconstruct multiple scattering dominated tracks and is suitable for Mu3e online tracking. For a precise offline reconstruction, I adapted the advanced general broken lines fit. It allows an increase in momentum resolution of up to 20% compared to the best fast algorithm.

The systematic pixel sensor and track fit evaluation with the corresponding software development is a cornerstone for Mu3e tracking.

Translation of abstract (German)

Das Mu3e Experiment ist ein neues Experiment zur Suche nach dem Lepton-Flavour-Quantenzahl verletzenden Myonenzerfall µ⁺ → e⁺e⁻e⁺ mit einer angestrebten Sensitivität von 1 in 10¹⁶ Zerfällen. Dieser Zerfall ist im Standardmodell so stark unterdrückt dass eine Beobachtung ein eindeutiger Hinweis für Physik jenseits des Standardmodells ist. Die Myonen werden durch ein Target gestoppt und die resultierenden Zerfallselektronen in einem magnetischen Spektrometer mit einem Pixeldetektor vermessen. Hierfür sind ein minimales Materialbudget and optimierte Algorithmen notwendig, um die niederenergetischen, stark gekrümmten Spuren mit hoher Rate zu rekonstruieren.

In dieser Arbeit wird die erste systematische Untersuchung eines mit Hochspannung betriebenen, monolithischen, aktiven Pixelsensor-Prototypen für das Mu3e Experiment beschrieben. In Teststrahlmessungen am DESY konnten Nachweiseffizienzen für Elektronen von besser als 99% erreicht werden.

Außerdem wurde ein neuer Spurfit basierend auf Hit-Triplets charakterisiert. Dieser schnelle Algorithmus ist zur Rekonstruktion von Spuren mit dominierender Vielfachstreuung optimiert und für die Onlinerekonstruktion des Mu3e Experiments geeignet. Für eine präzise Offlinerekonstruktion wurde der General Broken Lines Algorithmus adaptiert. Er erlaubt eine Verbesserung der Impulsauflösung von bis zu 20% im Vergleich zum besten schnellen Algorithmus.

Diese systematische Untersuchung der Pixelsensoren und Fit-algorithmen in Kombination mit der Entwicklung der zugehörigen Software ist eine der Grundlagen für die Mu3e Spurrekonstruction.

Document type: Dissertation
Supervisor: Schöning, Prof. Dr. André
Date of thesis defense: 3 February 2016
Date Deposited: 31 Mar 2016 06:48
Date: 2016
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
DDC-classification: 530 Physics
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