Development, Performance, and Prospects of ACTS for ATLAS Track Reconstruction during High-Luminosity LHC and Beyond

Mit dem Beginn des High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) steht der ATLAS-Detektor vor der beispiellosen Herausforderung, Teilchenspuren mit bis zu 200 simultanen Proton-Proton-Kollisionen pro Bunch Crossing zu rekonstruieren. Um den Anforderungen gerecht zu werden, hat sich die ATLAS-Kollaboration entschieden, das ACTS-Toolkit (A Common Tracking Software) zu nutzen — ein gemeinschaftlich entwickeltes Projekt, das experimentunabhängige Algorithmen zur Spurrekonstruktion in modernem C++ bereitstellt. Diese Dissertation präsentiert die Entwicklung und Leistungsfähigkeit der Spurrekonstruktionssoftware, die für die Herausforderungen des High-Luminosity-Upgrades des ATLAS-Experiments am CERN optimiert ist. Die beschriebenen Beiträge erweitern die Funktionalität von ACTS erheblich und verbessern ihre Leistungsfähigkeit in verschiedenen Bereichen der Spurrekonstruktion. Dazu zählen unter anderem Verbesserungen bei der Spurpropagation, der numerischen Integration, der Navigationslogik, der Ambiguitätsauflösung sowie der Spurrekonstruktion mit präzisen Zeitmessungen. Besonderes Augenmerk gilt Entwicklungen, die die Recheneffizienz und Robustheit der Spurfindung unter HL-LHC-Bedingungen erhöhen. Neben der Softwareentwicklung enthält diese Dissertation umfassende Spurrekonstruktions-Performancestudien unter Verwendung des OpenDataDetector, eines Prototyps eines (HL-)LHC-ähnlichen n Silizium-Innen-Spurendetektors, sowie des Inneren Spurendetektors des ATLAS-Experiments. Die Ergebnisse zeigen die Wirksamkeit der neuen Entwicklungen in hochgradig komplexen Kollisionsumgebungen und präsentieren die Effizienz, Auflösung und Rechenleistung der Spurfindung. Diese Arbeit legt eine robuste Grundlage für die Integration von ACTS in die Spurrekonstruktionssoftware von ATLAS und leistet einen wichtigen Beitrag zu einem wachsenden Software-Toolkit für zukünftige Experimente der Hochenergiephysik.