This dissertation investigates CsI(Tl) pulse shape discrimination (PSD) as a novel experimental technique to improve challenging areas of particle identification at high energy $e^+ e^-$ colliders using CsI(Tl) calorimeters. In this work CsI(Tl) PSD is implemented and studied at the Belle II experiment operating at the SuperKEKB $e^+ e^-$ collider, representing the first application of CsI(Tl) PSD at a $B$ factory experiment. Results are presented from Belle II as well as a testbeam completed at the TRIUMF proton and neutron irradiation facility. From the analysis of the testbeam data, energy deposits from highly ionizing particles are shown to produce a CsI(Tl) scintillation component with decay time of $630\pm10$ ns, referred to as the hadron scintillation component, and not present in energy deposits from electromagnetic showers or minimum ionizing particles. By measuring the fraction of hadron scintillation emission relative to the total scintillation emission, a new method for CsI(Tl) pulse shape characterization is developed and implemented at the Belle II experiment's electromagnetic calorimeter, constructed from 8736 CsI(Tl) crystals. A theoretical model is formulated to allow for simulations of the particle dependent CsI(Tl) scintillation response. This model is incorporated into GEANT4 simulations of the testbeam apparatus and the Belle II detector, allowing for accurate simulations of the observed particle dependent scintillation response of CsI(Tl). With $e^\pm$, $\mu^\pm$, $\pi^\pm$, $K^\pm$ and $p/\bar{p}$ control samples selected from Belle II collision data the performance of this new simulation technique is evaluated. In addition the performance of hadronic interaction modelling by GEANT4 particle interactions in matter simulation libraries is studied and using PSD potential sources of data vs. simulation disagreement are identified. A PSD-based multivariate classifier trained for $K_L^0$ vs. photon identification is also presented. With $K_L^0$ and photon control samples selected from Belle II collision data, pulse shape discrimination is shown to allow for high efficiency $K_L^0$ identification with low photon backgrounds as well as improved $\pi^0$ identification compared to shower-shape based methods. / Graduate

Ce travail a pour but l'optimisation du traitement numérique de signaux générés dans le cristal de ICs d'un calorimètre électromagnétique, dans le cadre d'expériences à haut taux de comptage telle que Belle II. La scintillation du cristal est convertie en signal électronique par une photopentode de Hamamatsu avec un gain de 150±2 électrons par photoélectron, pour être amplifiée par un préamplificateur. Le shaper, un filtre actif de type CR-(RC)^4, effectue ensuite une mise en forme du signal, qu'un ADC numérise alors pour qu'il soit traité numériquement par le DSP. À partir de formes de référence, le DSP peut extraire l'énergie déposée par une particule incidente et le temps d'occurence de son passage. Pour définir les formes de référence, on a déterminé que sur les trois approches étudiées, soit des formes moyennes expérimentales, soit à partir de la fonction analytique pour un filtre actif ou soit une somme de 3 gaussiennes, la plus optimale est l'ajustement de cette dernière fonction, que ce soit avec un générateur d'impulsions ou un cristal de ICs. De plus, la règle pour convertir l'amplitude des signaux mesurés en énergie déposée dans le cristal a été établie, malgré une gamme dynamique étroite. On a aussi observé des temps moyens de propagation de la scintillation dans le cristal de 47±4 ns et 3,4±0,5 $\mu$s, liés aux deux états d'excitation accessibles aux atomes du ICs, mais aussi à la géométrie du cristal, aux réflexions de photons sur les parois et au temps de réaction des circuits électroniques, qui allongent ces temps de scintillation mesurés. / The goal of this work is to optimize the digital processing of signals generated in the CsI crystal of an electromagnetic calorimeter, in the context of high counting rate experiments like Belle II. The scintillation from the crystal is converted into an electronic signal by a Hamamatsu photopentode with a gain of 150±2 electrons per photoelectron, to then be amplified by a preamplifier. The signal is then shaped by the shaper, a CR-(RC)^4 active filter, before it is digitized by an ADC, to be processed by the DSP. Using reference shapes, the DSP can extract the energy deposited by an incident particle and the time of occurence of it going through the crystal. To define the reference shapes, we determined that of the three approaches studied, which are experimental average shapes, the analytical function for an active filter and the sum of 3 gaussian functions, the best results were achieved using the last one, both with the pulse generator and the CsI crystal. Also, a conversion formula has been established to convert the measured signals' amplitudes into deposited energy in the crystal, despite a narrow dynamic range. We also observed average propagation times of the scintillation through the crystal of 47±4 ns and 3,4±0,5 $\mu$s, related to the two accessible excitation states of the CsI atoms, but also to the crystal's geometry, the reflections of photons on its surface and the reaction time of the electronics circuits, which make those scintillation times appear longer.

Nous étudions la sensibilité de Belle II avec 50 ab-1 de données sur l'angle βc du triangle d'unitarité, avec une mesure en fonction du temps de l'asymétrie de CP dans les désintégrations des mésons D0. Nous montrons que cette mesure est limitée statistiquement, avec une incertitude totale attendue de l'ordre de 3°. La mesure de βc nécessite la reconstruction de trajectoires de particules de très faible impulsion, impactée par le bruit de fond induit par SuperKEKB. Deux échelles PLUME vont être utilisées pour étudier ce bruit de fond. Ici, une étude des performances de PLUME est effectuée. Ainsi, la résolution spatiale avec des traces à 0° et 36° est mesurée, de 1,8 µm et 3,5µm respectivement. Par ailleurs nous proposons d'améliorer la mesure des faibles impulsions en utilisant la charge déposée par la particule dans le trajectomètre interne au silicium. L'estimateur permet d'améliorer par 2% la résolution sur l'impulsion pour les particules n'atteignant pas le trajectomètre interne. / We are studying the sensitivity of Belle II with 50 ab-1 data to the βc angle of the c-u unitarity triangle, with a time-dependent measurement of the CP asymmetry in the D0 decays. We show that such a measurement is still statistically limited, with a total expected incertitude of 3°.This measurement relies on the reconstruction of soft momenta, impacted by the SuperKEKB induced background.Two PLUME ladders will be used to study this background, therefore a study on the performances of PLUME was performed. The spatial resolution is of 1.8 µm and 3.5 µm for 0° and 36° tilted tracks respectivelly.We also propose to improve the estimation of soft momenta using the energy depositions of charged particles in the silicon layers of the inner tracker. Our estimator improves by approximately 2 % the resolution on momentum for particles which do not penetrate the central tracking system.

Title: Measurement of Time-Dependent CP Violation in B0 → ηcK0 S at Belle Experi- ment, Optimization Studies of the Belle II Vertex Detector Author: Zbyněk Drásal Department: Institute of Particle and Nuclear Physics Supervisor: Dr. Zdeněk Doležal, IPNP Supervisor's e-mail address: Zdenek.Dolezal@mff.cuni.cz Abstract: This doctoral thesis deals with two independent topics. In the first part we present a measurement of branching ratio(s) and time-dependent CP violation parame- ters in B0 (B± ) → ηcK0 S(K± ), ηc → p¯p. The values of CP violation parameters have been found as follows: sin 2φ1, denoted as an SCP parameter, equals: SCP = 0.68+0.38 −0.46±0.13syst, the direct CP violation parameter, denoted as an ACP , is: ACP = 0.00+0.23 −0.31 ± 0.08syst. These results have been obtained with the final data sample of 772×106 B ¯B pairs collected at Υ(4S) resonance with a Belle detector at the KEKB e+ e− asymmetric collider machine in Japan. In the second part, we present our approach to the Monte Carlo (MC) simula- tion of Belle II vertex detector and its response to high energy particles. Belle II represents an upgrade of current Belle experiment and its designed vertex detector will consist of 2 layers of Depfet pixel detectors (PXD) and 4 layers of double-sided silicon micro-strip detectors (SVD). The MC...