Berlin, Humboldt-University, Diss., 2000.

Universiẗat, Diss., 2000--Dortmund. / Dateiformat: PDF.

Universiẗat, Diss., 2001--Dortmund.

Universiẗat, Diss., 2002--Dortmund.

Universiẗat, Diss., 2003--Dortmund.

Das HERA-$B$-Experiment am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg dient der Untersuchung der Physik von Teilchen, die $b$-Quarks enthalten. Der Schwerpunkt des Ex\-pe\-ri\-mentes liegt auf der Messung der CP-Verletzung im System der neutralen $B$-Mesonen. Es wird erwartet, dass die pr\"azise Bestimmung der CP-Asymmetrie im Zerfallskanal $B^0(\bar{B}^0)\to J/\psi K_S^0$ gro{\ss}en Einfluss auf die Weiterentwicklung des Standardmodells der Elementarteilchenphysik und g\"angiger kosmologischer Theorien haben wird. Das HERA-$B$-Experiment nutzt den Protonenstrahl des HERA-Ringes, um in Kollisionen mit einem feststehenden Target paarweise $B$-Hadronen zu erzeugen. Die Wechselwirkungen werden in einem Vorw\"artsspektrometer mit etwa 600.000 Auslesekan\"alen nachgewiesen. Aufgrund der relativ niedrigen Schwerpunktsenergie von 41.6\,GeV sind Ereignisse mit $b$-Quarks im Vergleich zu Wechselwirkungen mit leichteren Quarks um etwa sechs Gr\"o{\ss}enordnungen unterdr\"uckt. Die Selektion von Signalereignissen stellt daher eine besondere Herausforderung dar. Sie wird von einem vierstufigen Datennahme- und Triggerystem \"ubernommen, das die Ereignisrate von 10\,MHz auf etwa 20\,Hz reduziert. Neben speziell entwickelter Elektronik werden im Triggersystem mehrere hundert handels\"ubliche PCs eingesetzt. Die Computer sind in zwei so genannten PC-Farmen mit jeweils mehr als 200 Prozessoren angeordnet, die die Rechenkapazit\"at f\"ur Triggerentscheidungen und die prompte Analyse der Ereignisdaten zur Verf\"ugung stellen. Auf der einen Farm laufen schnelle Triggerprogramme mit einer Rechenzeit von etwa 1--100\,ms pro Ereignis ab. Die andere Farm rekonstruiert die Ereignisse online, bevor die Daten auf Band dauerhaft archiviert werden. Die pro Ereignis aufgewandte Rechenzeit liegt dabei im Bereich einiger Sekunden. Die vorliegende Arbeit behandelt zwei Themenkreise. Einerseits wird die technische Umsetzung der Trigger- und der Rekonstruktionsfarm beschrieben. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf den Software-Systemen, die den Farmen erforderliche Kalibrationsdaten verf\"ugbar machen und die zentrale \"Uberwachung der Ergebnisse der ablaufenden Programme gestatten. Der Hauptteil der Arbeit besch\"aftigt sich mit Algorithmen f\"ur eine dritte Triggerstufe, die zus\"atzlich zu existierenden Programmen auf der Triggerfarm zum Einsatz kommen sollen. Der Zerfall $B^0(\bar{B}^0)\to J/\psi X$ hat eine sehr klare Signatur, wenn das $J/\psi$ in ein $e^+e^-$- oder $\mu^+\mu^-$-Paar zerf\"allt. Im Triggersystem wird nach einem Paar entgegengesetzt geladener Leptonen des gleichen Typs gesucht, deren invariante Masse der des $J/\psi$ entspricht und deren Spuren von einem gemeinsamen Vertex in der N\"ahe des Targets ausgehen. Es wird davon ausgegangen, dass die Ausnutzung aller kinematischen Zwangsbedingungen ausreicht, um diesen Zerfallskanal klar von Untergrundereignissen zu trennen. Die dritte Triggerstufe soll dagegen auf Signalprozesse mit weniger kinematischen Beschr\"ankungen angewandt werden. Solche Ereignisse entstehen zum Beispiel dann, wenn zwei in der Proton-Target-Kollision erzeugte $B$-Mesonen semileptonisch zerfallen. Das Triggersystem selektiert lediglich die beiden Leptonen, die aber hier nicht von einem gemeinsamen Vertex kommen. Die dritte Triggerstufe soll f\"ur derartige Zerfallstopologien innerhalb von 100\,ms pro Ereignis weitere Kriterien zur Unterscheidung von Signal- und Untergrundprozessen aus den Daten extrahieren. In der Arbeit wird anhand von Monte-Carlo-Studien untersucht, inwieweit die Daten des Silizium-Vertexdetektors des Experimentes zur Entscheidungsfindung einer dritten Triggerstufe beitragen k\"onnen. Dabei wird die Rekonstruktion von Spuren aus der Zerfallskaskade der $B$-Hadronen zus\"atzlich zu den von der vorhergehenden Triggerstufe selektierten Lep\-ton\-en an\-ge\-strebt. Mithilfe einer schnellen Mustererkennung f\"ur den Vertexdetektor wird gezeigt, dass das Auffinden aller Spuren und die Anwendung von Triggeralgorithmen innerhalb des vorgegebenen Zeitfensters von 100\,ms m\"oglich sind. Die Bestimmung der Spurparameter nahe der Targetregion macht von der Methode des Kalman-Filters Gebrauch, um der Vielfachstreuung im Detektormaterial Rechnung zu tragen. Dabei tritt das Problem auf, dass weder der Impuls der gefundenen Spuren bekannt ist, noch die Materialverteilung im Vertexdetektor aus Zeitgr\"unden in aller Strenge ber\"ucksichtigt werden kann. Durch geeignete N\"aherungen gelingt es, eine ausreichende Genauigkeit f\"ur die Spurparameter zu erreichen. Die aufgefundenen Teilchen bilden den Ausgangspunkt f\"ur Triggeralgorithmen. Hierbei wird untersucht, welche Methoden am besten geeignet sind, um Signal- und Unter\-grund\-ereignisse voneinander zu trennen. Es erweist sich, dass das Auffinden von Spuren mit gro{\ss}em Impaktparameter aussichtsreichere Ans\"atze als eine Suche nach Sekund\"arvertices bietet. / The HERA-$B$ experiment at Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) Hamburg aims at investigating the physics of particles containing $b$ quarks. The experiment focusses on measuring CP violation in the system of neutral $B$ mesons. It is expected that the precise determination of the CP asymmetry in the channel $B^0(\bar{B}^0)\to J/\psi K_S^0$ will have an impact on the further development of the Standard Model of Elementary Particle Physics and cosmological theories. The HERA-$B$ experiment uses the proton beam of the HERA storage ring in fixed-target mode. $B$ hadrons are produced in pairs when protons from the beam halo interact with target nuclei. The interactions are recorded by a forward-spectrometer with roughly 600.000 readout channels. At the HERA-$B$ centre-of-mass energy of 42.6\,GeV, the $b\bar{b}$ cross section is only a tiny fraction of the total inelastic cross section. Only one in about 10$^6$ events contains $b$ quarks, which turns the selection of signal events into a particular challenge. The selection is accomplished by a four-stage data acquisition and trigger system reducing the event rate from 10\,MHz to about 20\,Hz. Besides custom-made electronics, several hundreds of PCs are used in the trigger system. The computers are arranged in two so-called PC farms with more than 200 processors each. The PC farms provide the computing capacity for trigger decisions and the prompt analysis of event data. One farm executes fast trigger programs with a computing time of 1--100\,ms per event. The other farm performs online reconstruction of the events before data are archived on tape. The computing time per event is in the range of several seconds. This thesis covers two topics. In the beginning, the technical implementation of the trigger and the reconstruction farm are described. In doing so, emphasis is put on the software systems which make calibration data available to the farms and which provide a centralised view on the results of the executing processes. The principal part of this thesis deals with algorithms for a Third Level Trigger. This trigger is to come into operation on the trigger farm together with existing programs. Processes of the type $B^0(\bar{B}^0)\to J/\psi X$ have a very clean signature when the $J/\psi$ decays to a $e^+e^-$ or $\mu^+\mu^-$ pair. The trigger system attempts to identify two unlike-sign leptons of the same flavour whose invariant mass matches the $J/\psi$. In later steps, the tracks are required to originate from a common vertex close to the target. It is assumed that these kinematic constraints are sufficient to pick out events of this type among the copious background processes. In contrast, the Third Level Trigger is to be applied to signal processes with fewer kinematic constraints. Such events occur for example when two $B$ mesons, which were created in a proton-target collision, decay semileptonically. The trigger system selects merely the two leptons which do not originate from a common vertex in this case. The Third Level Trigger has 100\,ms at its disposal to extract further criteria from the data which can serve to distinguish between signal and background events. This thesis investigates with the aid of Monte-Carlo simulations how the data of the experiment's silicon vertex detector can contribute to the decisions of a Third Level Trigger. The trigger aims at reconstructing tracks from the decay cascade of $B$ mesons in addition to the leptons selected by the preceding trigger levels. A fast pattern recognition for the vertex detector demonstrates that the reconstruction of all tracks and the application of trigger algorithms are possible within the given time slot of 100\,ms. The determination of track parameters in the target region exploits the Kalman-filter method to account for the multiple scattering of particles in the detector material. The application of this method is, however, made difficult by two facts. First, the momentum of the reconstructed tracks is not known. And, second, the material distribution in the detector cannot be taken into consideration in detail due to timing limitations. Adequate approximations for the momentum and the material traversed by a particle help to accomplish a sufficient accuracy of the track parameters. The reconstructed tracks constitute the starting point of several trigger algorithms, whose suitability to select signal events is investigated. Our studies indicate that the reconstruction of tracks with large impact parameters is a more promising approach than a search for secondary vertices.

In dieser Arbeit wurde die Produktion der Charmonium-Zust\"ande $\chi_{c1}$ und $\chi_{c2}$ in Proton-Kern-Wechselwirkungen bei einer Proton-Nukleon-Schwerpunktenergie von $\sqrt{s}=41.6~{\rm GeV}$ untersucht. Die f\"ur die Analyse verwendeten Daten wurden mit dem HERA-B-Experiment genommen, das die Streuung von Protonen des HERA-Rings an feststehenden Draht-Targets verschiedener Materialien untersucht. Die Analyse basiert auf etwa $10\,000$ radiativen $\chi_{c}$-Zerf\"allen, $\chi_{c}\rightarrow J/\psi\gamma$, die aus mehr als $122\cdot10^{3}$ myonischen $J/\psi$-Zerf\"allen, $J/\psi\rightarrow\mu^{+}\mu^{-}$, rekonstruiert wurden. Das Verh\"altnis der Rate der $J/\psi$, die aus $\chi_{c}$-Zerf\"allen stammen, zu der Gesamtrate der $J/\psi$, $R_{\chi_{c}}=\sum_{i=1,2}{\sigma(\chi_{ci})Br(\chi_{ci}\rightarrow J/\psi\gamma)/\sigma(J/\psi)}$, wurde in dem kinematischen Bereich $-0.35 / In this thesis the production of the charmonium states $\chi_{c1}$ and $\chi_{c2}$ in proton-nucleus collisions at a proton-nucleon center-of-mass energy $\sqrt{s}=41.6~{\rm GeV}$ was studied. The data used for the analysis have been taken by the fixed-target experiment HERA-B that uses the HERA proton beam to scatter protons off the nuclei of different wire targets. About $122\cdot10^{3}$ recorded muonic $J/\psi$ decays, $J/\psi\rightarrow\mu^{+}\mu^{-}$, resulted in almost $10\,000$ reconstructed $\chi_{c}\rightarrow J/\psi\gamma$. The ratio $R_{\chi_{c}} = \sum_{i=1,2}{\sigma(\chi_{ci}) Br(\chi_{ci}\rightarrow J/\psi\gamma) /\sigma(J/\psi)}$, which is the ratio of $J/\psi$ from $\chi_c$ decays to all produced $J/\psi$, was measured in the kinematical range $-0.35

University, Diss., 2001--Heidelberg. / Parallelt.: Das Auslesesystem des inneren Spurkammersystems des HERA-B-Detektors und Drell-Yan-Physik mit dem HERA-B-Detektor.

In dieser Arbeit wird ein erster Versuch vorgestellt, die inklusive Produktion von neutralen Pionen durch ihren Zerfall in zwei Photonen zu messen. Dazu wurde der HERA-B Detektor in der Konfiguration des Frühjahrs `99 benutzt. Für die Bestimmung des Produktionsquerschnittes der neutralen Pionen werden die Daten aus dem inneren Bereich des elektromagnetischen Kalorimeters verwendet. Die Messung wurde mit zwei verschiedenen Target-Materialien, Kohlenstoff und Titan, durchgeführt. Aus diesem wird die Materialabhängigkeit der Pionen-Produktion ermittelt. Mehrere Methoden zur Bestimmung der Luminosität bei HERA-B werden untersucht. Es wird gezeigt, dass die durchschnittliche Anzahl von Wechselwirkungen mit Hilfe der im elektromagnetischen Kalorimeter deponierten Energie gemessen werden kann. Diese Methode bietet eine Möglichkeit zur Luminositätsbestimmung mit hoher Genauigkeit. Die Durchführbarkeit, die hadronische Produktion von Leptonpaaren in hohen Massenbereichen mit HERA-B zu messen, wird in Monte-Carlo-Simulationen untersucht. Diese zeigen, dass die erwartete Massenauflösung eine Beobachtung des Ypsilon-Signals über dem Untergrund und eine Trennung der Zustände Ypsilon (1S) und Ypsilon (2S) erlaubt. Es wird gezeigt, dass eine genaue Messung der Ypsilon-Polarisation möglich ist. Diese Messung bietet eine sehr gute Möglichkeit, die verschiedenen Mechanismen für die Produktion schwerer Quarkonium-Zustände zu testen. / A first attempt to measure the cross section of inclusive production of neutral pions decaying into two photons using the HERA-B detector in the spring of '99 configuration is presented. The pions cross section is determined using data from the inner part of the electromagnetic calorimeter for two types of target material, carbon and titanium. From the data on C and Ti the nuclear dependence of pion production was extracted. Various approaches for the luminosity determination at HERA-B are investigated. The average number of interactions in the target can be determined from the energy deposition in the electromagnetic calorimeter. This method provides a high accuracy in the luminosity determination. The feasibility to study hadronic production of dileptons in the high-mass region at HERA-B is investigated with a Monte Carlo simulation. The predicted mass resolution of Upsilon mesons will allow the clear observation of the Upsilon mass peak above the background, and to separate the Upsilon(1S) and Upsilon(2S) states. The possibility to perform an accurate measurement of polarization of Upsilon mesons is demonstrated. This measurement provides an excellent opportunity to test different mechanisms of heavy quarkonium production.

In dieser Arbeit wird die Erzeugung der Charmonium-Zustände J/psi und psi(2S) in Proton-Kern-Reaktionen bei Schwerpunktsenergien von 42 GeV untersucht. Die Daten wurden mit dem HERA-B-Experiment aufgenommen, das in HERA den Protonstrahl nutzt, um Protonen an den Kernen verschiedener Drahttargets zu streuen. Mehr als 150 000 J/psi und 2400 psi(2S)-Zerfälle in Myon-Paare wurden beobachtet. Die HERA-B-Daten decken den kinematischen Bereich in Feynman-x (x_F) zwischen -0.36 und 0.10 und im Transversalimpuls (p_T) bis 4.5 GeV/c ab. Die x_F - und p_T-Verteilungen für die Produktion von J/psi und psi(2S) wurden für Kohlenstoff- und Wolfram-Targets gemessen. Die x_F-Verteilung stimmt gut mit nicht-relativistischen QCD-Rechnungen überein. Bei der p_T-Verteilung findet man einen klaren Anstieg des mittleren p_T für schwerere Kerne: Kohlenstoff = 1.244 +- 0.003 +- 0.034 GeV/c und Wolfram = 1.336 +- 0.004 +- 0.041 GeV/c. Der Vergleich der Erzeugungsraten von psi(2S) und J/psi ergibt: (B''_{muon muon} sigma(psi(2S)) ) / (B_{muon muon} sigma(J/psi)) = 165 +- 9 +- 4 ( x 0.0001) für Kohlenstoff und 154 +- 16 +- 8 ( x 0.0001) für Wolfram. Diese Verältnisse wurden auch für die x_F - und p_T-Verteilungen bestimmt. / In this thesis the production of the charmonium states J/psi and psi(2S) in proton-nucleus collisions at a center-of-mass energy of 42 GeV is studied. The data have been taken by the HERA-B experiment which uses the HERA proton beam to scatter protons off the nuclei of different wire targets. Over 150 x 10^3 J/psi and 2400 psi(2S) decaying to muon pairs are observed. The HERA-B data cover the kinematical range in Feynman x (x_F) between -0.36 and 0.10 and in transverse momentum (p_T) up to 4.5 GeV/c. The x_F and p_T differential distributions for the production of J/psi and psi(2S) mesons are measured for carbon and tungsten target materials. The J/psi x_F distribution agrees well with non-relativistic QCD calculations. From the p_T distributions we find a clear increase of the average p_T for heavier nuclei: Carbon = 1.244 +- 0.003 +- 0.034 GeV/c and Tungsten = 1.336 +- 0.004 +- 0.041 GeV/c. We compared the production rates of psi(2S) to J/psi mesons: (B''_{muon muon} sigma(psi(2S)) ) / (B_{muon muon} sigma(J/psi)) = 165 +- 9 +- 4 ( x 0.0001) for carbon and 154 +- 16 +- 8 ( x 0.0001) for tungsten. These ratios have also been determined for the x_F and p_T distributions.