Search for Resonant X(3872) Formation in Electron Positron Annihilations and the Development of a Prototype Data Acquisition for the Crystal Zero Degree Detector at BESIII

Abstract

The X(3872) resonance is the most famous member of the family of exotic charmonium-like XYZ states. This class of hadrons lies in the charmonium mass region, but exhibits properties disfavoring their interpretation as conventional charmonium states. Many alternatives like compact tetraquarks or meson molecules are discussed while the inner structure of these states remain unclear. A property that might help to clarify the situation is the electronic width Gamma_ee of the X(3872) state. This quantity is accessible in the measurement of the so far unobserved e^+e^- -> X(3872) reaction.Within the framework of this thesis, the search for this reaction has been performed by analyzing electron positron collision data in the vicinity of the X(3872) mass. The data with an integrated luminosity of (322.3 ± 1.7) pb^-1 spreading over four different collision energies was recorded by the BESIII detector at the BEPCII accelerator in Beijing (China). The X(3872) state has been searched for via the decay of X(3872) -> pi^+pi^-J/psi and the subsequent J/psi -> l^+l^- decay, where l stands for e or mu.The cross section of e^+e^- -> pi^+pi^-J/psi has been extracted from maximum likelihood fits to the J/psi peak in the distributions of the invariant dilepton mass. There is no evidence for a X(3872) signal. An upper limit on the product of the electronic width times the branching fraction Gamma_ee × B(X(3872) -> pi^+pi^-J/psi) has been determined by a Bayesian likelihood analysis to be 7 × 10^-3 eV at 90 % confidence level. This is an improvement of a factor of about 20 upon existing limits.The second topic of this thesis is the development of an FPGA based prototype data acquisition for a small detector to be placed very closely to the beam line in the forward and backward direction of BESIII. This detector is designed to measure photons from initial state radiation which will be of great benefit for precise measurements of various hadron production cross sections in e^+e^- annihilations. The active material will be LYSO, a fast and dense inorganic scintillator, with silicon photomultipliers to collect the scintillation light.At the designated position, the detector will be exposed to an extremely high background rate in the MHz region. The implied design requirements on the data acquisition are realtime capabilities to detect pile-up and to correlate the events with the BESIII trigger.In the context of this thesis, a prototype data acquisition based on an already existing sampling ADC with FPGA support and a sampling frequency of 125 MHz has been developed. An additional FPGA board (already existing, too) acts as a buffer between the ADC and a PC which in turn writes the sampled data to disk. Available solutions for the high speed serial communication between the FPGAs as well as for monitoring/controlling and data transfer to the PC via Gigabit Ethernet have been complemented by custom designs. The prototype data acquisition has not performed event correlation or pile-up detection yet, but it provides means to record continuously sampled waveforms that can be analyzed offline.The prototype data acquisition was tested together with a prototype detector module in an electron beam at the MAMI accelerator in Mainz. The beam had a fixed energy of 855 MeV and a varying rate between 2.7 kHz and 13.9 MHz. Based on the recorded data, feature extraction and pile-up detection algorithms have been developed for the later implementation on the available FPGAs. It has been shown that about 90 % of pile-up events can be detected for rates of up to 6 MHz.

Die X(3872) Resonanz ist das berühmteste Beispiel der exotischen charmoniumähnlichen XYZ Zustände. Diese Klasse von Hadronen liegt in der Charmonium-Massenregion, hat aber Eigenschaften, die ihre Interpretation als konventionelle Charmonium Zusände erschweren. Viele Alternativen wie kompakte Tetraquarks oder Meson Moleküle werden diskutiert, aber die innere Struktur dieser Zustände bleibt ungeklärt. Eine Eigenschaft, die helfen könnte, die Situation zu vereinfachen, ist die elektronische Breite Gamma_ee des X(3872) Zustands. Diese Größe kann durch die Messung der bis jetzt unbeobachteten e^+e^- -> X(3872) Reaktion bestimmt werden.Im Rahmen dieser Thesis wurde nach dieser Reaktion gesucht, indem Daten von Elektron Positron Kollisionen in der Nähe der X(3872) Masse analysiert wurden. Die Daten mit einer über vier Kollisionsenergien verteilten integrierten Luminosität von (322.3 ± 1.7) pb^-1 wurden vom BESIII Detektor am BEPCII Beschleuniger in Peking (China) aufgezeichnet. Es wurde nach dem X(3872) Zustand im Zerfall X(3872) -> pi^+pi^-J/psi gefolgt von J/psi -> l^+l^- gesucht, wobei l für e oder mu steht.Mithilfe von Maximum Likelihood Fits an das J/psi Signal in den Verteilungen der invarianten Dilepton Masse wurde der Wirkungsquerschnitt von e^+e^- -> pi^+pi^-J/psi bestimmt. Es gibt kein Anzeichen für ein X(3872) Signal. Eine obere Grenze für das Produkt aus der elektronischen Breite und dem Verzweigungsverhältnis wurde mithilfe einer Bayesischen Likelihood Analyse bestimmt: 7 × 10^-3 eV bei einem Konfidenzniveau von 90 %. Dies ist eine Verbesserung um den Faktor von ungefähr 20 im Vergleich zu bestehenden oberen Grenzen.Das zweite Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung einer FPGA-basierten Prototypdatenauslese für einen kleinen Detektor, welcher sehr dicht an der Strahlachse im Vorwärts- und Rückwärtsbereich von BESIII plaziert werden soll. Dieser Detektor hat die Aufgabe, abgestrahlte Photonen aus dem Anfangszustand zu messen, was von großem Vorteil für die präzise Messungen von Wirkungsquerschnitten diverser Hadronenproduktionen in e^+e^- Vernichtungen sein wird. Das aktive Detektormaterial wird LYSO sein, ein schneller und dichter anorganischer Szintillator, dessen Licht von Silizium Photomultipliern gesammelt wird.An der vorgesehenen Position wird der Detektor einer extrem hohen Untergrundrate im MHz Bereich ausgesetzt sein. Die implizierten Anforderungen an das Design der Datenauslese sind die Fähigkeiten, zeitliche Ereignisüberlagerungen in Echtzeit zu erkennen und die Zuordnung der Ereignisse zum BESIII Trigger.Im Zusammenhang dieser Thesis wurde der Prototyp einer Datenauslese auf Grundlage eines bereits existierenden Sampling ADCs mit FPGA Untestützung und einer Samplingrate von 125 MHz entwickelt. Eine zusätzliche FPGA-Platine (ebenfalls bereits existierend) dient als Puffer zwischen dem ADC und einem PC, welcher die aufgezeichneten Daten auf Festplatte schreibt. Verfügbare Lösungen sowohl für die serielle Hochgeschwindigkeitskommunikation zwischen den FPGAs als auch für die Gigabit Ethernet Verbindung zum PC für Monitor- und Kontrollzwecke und den Transfer der Daten wurden durch selbsterstellte Design ergänzt. Die Prototypdatenauslese führt derzeit noch keine Zuordnung der Ereignisse zu einem Trigger Signal oder eine Erkennung der Ereignisüberlagerung aus, bietet dafür aber die Möglichkeit, kontinuierlich digitalisierte Signalformen aufzuzeichnen, welche dann offline analysiert werden können.Die Prototypdatenauslese wurde zusammen mit einem Prototyp Detektormodul im Elektronenstrahl des MAMI Beschleunigers in Mainz getestet. Der Strahl hatte eine feste Energie von 855 MeV und variierende Raten zwischen 2.7 kHz und 13.9 MHz. Auf Grundlage der aufgezeichneten Daten wurden Algorithmen für die Extraktion von Pulscharakeristika und das Erkennen von Ereignisüberlagerungen zur späteren Implementierung auf den FPGAs entwickelt. Es wurde gezeigt, dass ungefähr 90 % aller Ereignisüberlagerungen für Raten bis zu 6 MHz erkannt werden können.