Die Arbeitsgruppe Berger ist an die Johannes-Gutenberg Universität Mainz umgezogen -
aktuelle Informationen gibt es auf unserer Seite in Mainz.
Nachwuchsgruppe Niklaus Berger
Forschung: Das Mu3e Experiment
Das Mu3e-Experiment sucht nacht dem Lepton-Flavour verletzenden Zerfall des Muons in drei Elektronen. Eine detaillierte Beschreibung des Experiments findet sich auf der Homepage am Paul Scherrer Institut (PSI).Um die Zerfallselektronen genau zu vermessen, bauen wir einen Pixeldetektor mit 300 Millionen aktiven Pixeln. Um die Elektronen möglichst wenig zu streuen, werden die Sensoren auf 50 Mikrometer gedünnt.
Um die angestrebte Sensitivität von einem in 1016 Muon-Zerfällen zu erreichen, müssen jede Sekunde zwei Milliarden Muonen zerfallen, was im Experiment eine Datenrate von etwa 1 Tbit/s erzeugt. Meine Gruppe ist damit beschäftigt, diese Datenmenge auszulesen und die Elektronspuren mit der bestmöglichen Genauigkeit und Effizienz zu finden und zu vermessen. Um dies schnell und auf engem Raum zu erledigen, verwenden wir programmierbare Logikbausteine (FPGAs), optische Links und Rechner mit leistungsfähigen Grafikkarten. Wir sind zur Zeit in den folgenden Gebieten tätig:
Simulation
Mit Hilfe einer detaillierten Simulation optimieren wir unser Detektordesign. Dazu ist es
erforderlich, die Zerfälle des Muons genau zu modellieren, ebenso wie die Geometrie und
die Materialeigenschaften des Detektors. In einem engen Austausch mit den Werkstätten am
Physikalischen Institut versuchen wir eine Konstruktion zu finden, die sowohl die
Performance liefert, die wir benötigen, als auch mechanisch machbar ist.
Um die Zuverlässigkeit der Simulation zu überprüfen, führen wir regelmässig Messungen an Teststrahlen, z.B. am CERN oder am PSI durch.
Aus der Simulation bestimmen wir die erwarteten Datenraten, was uns erlaubt, die Ausleseelktronik entsprechend ausulegen. Das Design der Elektronik fliesst dann wieder zurück in die Simulation, wo wir Effekte wie Totzeit oder Speicherüberläufe sehen können.
Spurrekonstruktion
Die grosse Herausforderung beim Mu3e Experiment besteht darin, mit limitierter
Rechenpower 2 Milliarden Teilchenspuren pro Sekunde so genau wie möglich zu rekonstruieren.
Bis zu hundert Spuren von Elektronen finden sich in einem Zeitfenster. Diese Spuren aus den hunderten von Treffern im Pixeldetektor zu rekonstruieren und dabei jeder Spur die richtigen Treffer zuzuordnen ist ein Problem der Mustererkennung, das wir mitschnellen Algorithmen auf FPGAs und Grafikprozessoren lösen wollen.
Im nächsten Schritt soll über eine Spuranpassung der Impuls des Elektrons gemessen werden. Da die Elektronen im Material des Detektors stark gestreut werden, ist auch dies eine Herausforderung. Wir evaluieren verschiedene Techniken, wie etwa Broken-Line-Fits oder Kalman-Filter, um die bestmögliche Auflösung bei kurzer Laufzeit zu erhalten.
Datenauslese
Der Mu3e Detektor erzeugt im Endausbau etwa 1 Tbit Daten pro Sekunde. Diese Datenmenge
auszulesen, ist eine Aufgabe meiner Gruppe. Mit Hilfe von FPGAs direkt am Detektor werden
die Daten synchronisiert und so weit als möglich komprimiert, um dann über optische Links
auf Auslesekarten weitergeleitet zu werden. Die FPGAs auf den Auslesekarten dienen auch als
Switches, damit die Rechner in der nächsten Stufe jeweils die Information des kompletten
Experiments zur Verfügung haben.
Datenanalyse
Um von den Rohdaten des Experiments zu einer Messung zu gelangen, ist eine aufwändige Datenanalyse notwendig. Darauf bereiten wir uns vor, indem wir Daten aus der Simulation und von Teststrahlmessungen analysieren, um die Algorithmen zu verfeinern und am Ende eine möglichst sensitive Messung des Verzweigungsverhältnisses mu -> eee zu erreichen.
