Following the Path of Individual Beam Electrons through LDMX

Abstract

The Light Dark Matter Experiment (LDMX) is a fixed-target missing-momentum experiment which hopes to detect dark matter in the MeV-GeV mass range. This is done by firing an 8 GeV electron beam at a thin tungsten target, where the electrons produce dark matter through a process called dark bremsstrahlung. Electrons which have gone through dark matter production can then be found by looking for missing energy in the detector. As the electron beam fires incredibly large amounts of particles at the target, many of which are not expected to do anything, a trigger system is set in place, which singles out events with no missing energy and discards the corresponding data. As of now this trigger works by looking at the full energy of all simultaneously incoming electrons. This leads to a decrease in trigger efficiency when several electrons enter the detector at once, as the energy resolution of the detector degrades at higher energies. In order to improve the performance of the trigger, a matching algorithm is developed, which should allow for the study of individual electron energy instead of the grouped energy of all electrons together, thereby removing pile-up electrons which have not lost any energy to dark matter production.

This project focuses on the performance of this matching algorithm in the case when two electrons enter the detector at once. It finds that the algorithm works nominally for the single-electron case, but struggles in the when two electrons enter the detector at once, especially when their energy deposits are spatially close or overlap. In the case when all incoming electrons are matched, studies of the energy distributions point towards the matching algorithm being viable for use for pile-up removal. It is also shown to have a potential use in cases where only part of the incoming electrons are matched.

Popular Abstract (Swedish)

När orden mörk materia nämns förs tankarna hos många till sci-fi böcker eller serietidningar. Kanske föreställer man sig en främmande substans i en provrör, eller ett destruktivt svart hål. Sanningen är att mörk materia är mycket mindre dramatiskt än så. Ett definierande drag hos mörk materia är att det interagerar ytterst svagt med vanlig materia. Troligen passerar mörk materiepartiklar rakt igenom dig hela tiden, utan att märkas av, då de inte växelverkar med fotoner, de partiklar som utgör ljus. Denna motvilja att växelverka med den mesta av materian som utgör vår värld visar sig vara problematisk när det kommer till forskning av mörk materia. Alla mätningar bygger ju trots allt på någon form av interaktion. På grund av detta är inte mycket känt om mörk materia. Trots detta pågår flera experiment som försöker detektera och mäta det.

The Light Dark Matter eXperiment (LDMX) är ett framtida experiment av det här slaget. LDMX är ett så kallat electron-beam fixed-target missing-momentum experiment. Elektroner accelereras i LCLS-II partikelacceleratorn vid SLAC National Accelerator Laboratory tills de närmar sig ljusets hastighet. Därefter skjuts de i form av en elektronstråle mot en måltavla av väldigt tunn tungsten. Då en elektron med hög energi passerar de tunga atomkärnorna i måltavlan finns det en väldigt liten chans att de förlorar en andel av sin energi i produktionen av en mörk foton, som i tur sönderfaller till två mörk materiepartiklar. Mörk materia må växelverka svagt med vanlig materia, men med $4\cdot10^{14}$ elektroner som träffar måltavlan ökar chansen betydligt att mörk materia produceras. Elektronerna fortsätter sedan genom en tracker, som mäter deras bana då de färdas genom detectorn, och träffar en calorimeter, som mäter deras totala energi. Istället för att mäta mörk materia direkt letar detektorn efter elektroner som saknar energi efter att ha genomgått produktion av mörk materia.

En stor mängd elektroner som passerar genom detektorn innebär en stor mängd data, mycket mer än vad som rimligtvis kan förvaras. Därmed införs en trigger, som jämför den uppmätta energin med mängden inkommande elektroner, och avstår från att spara data för de event som överskrider en viss energitröskel, och därmed inte saknar någon energi. Ett nuvarande problem med triggern är dess effektivitet minskar när antalet inkommande elektroner ökar, och risken att den slänger ut användbar data eller behåller oanvändbar data går upp. För att kringgå detta problem vill vi införa en matching-algoritm i triggern, som kan följa spåret av en elektron genom detektorn. Detta innebär att energitröskeln kan appliceras till individuella elektroner istället för alla tillsammans, och bara de elektroner som överskrider den tas bort. Målet med det här projektet är att undersöka prestationen av en matching-algoritm utvecklad för LDMX i situationen då flera elektroner når detektorn på samma gång, för att se hur ofta algoritmen lyckas med att identifiera alla inkommande elektroner, och möjligheterna för att använda algoritmen för triggering.

• author: Aerts, Merit
• supervisor: Lene Bryngemark; Ruth Pöttgen
• organization: Department of Physics; Particle and nuclear physics
• course: FYSK04 20251
• year: 2025
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: LDMX, dark matter
• language: English
• id: 9210730
• date added to LUP: 2025-08-27 07:58:51
• date last changed: 2025-08-27 07:58:51