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Pavel Kisel

• The main task of modern large experiments with heavy ions, such as CBM (FAIR), STAR (BNL) and ALICE (CERN) is a detailed study of the phase diagram of quantum chromodynamics (QCD) in the quark-gluon plasma (QGP), the equation of state of matter at extremely high baryonic densities, and the transition from the hadronic phase of matter to the quark-gluon phase. In the thesis, the missing mass method is developed for the reconstruction of short-lived particles with neutral particles in their decay products, as well as its implementation in the form of fast algorithms and a set of software for prac- tical application in heavy ion physics experiments. Mathematical procedures implementing the method were developed and implemented within the KF Par- ticle Finder package for the future CBM (FAIR) experiment and subsequently adapted and applied for processing and analysis of real data in the STAR (BNL) experiment. The KF Particle Finder package is designed to reconstruct most signal particles from the physics program of the CBM experiment, including strange particles, strange resonances, hypernuclei, light vector mesons, charm particles and char- monium. The package includes searches for over a hundred decays of short-lived particles. This makes the KF Particle Finder a universal platform for short-lived particle reconstruction and physics analysis both online and offline. The missing mass method has been proposed to reconstruct decays of short-lived charged particles when one of the daughter particles is neutral and is not regis- tered in the detector system. The implementation of the missing mass method was integrated into the KF Particle Finder package to search for 18 decays with a neutral daughter particle. Like all other algorithms of the KF Particle Finder package, the missing mass method is implemented with extensive use of vector (SIMD) instructions and is optimized for parallel operation on modern many-core high performance com- puter clusters, which can include both processors and coprocessors. A set of algorithms implementing the method was tested on computers with tens of cores and showed high speed and practically linear scalability with respect to the num- ber of cores involved. It is extremely important, especially for the initial stage of the CBM experiment, which is planned for 2025, to demonstrate already now on real data the reliability of the developed approach, as well as the high efficiency of the current implemen- tation of both the entire KF Particle Finder package, and its integral part, the missing mass method. Such an opportunity was provided by the FAIR Phase-0 program, motivating the use in the STAR experiment of software packages orig- inally developed for the CBM experiment. Application of the method to real data of the STAR experiment shows very good results with a high signal-to-background ratio and a large significance value. The results demonstrate the reliability and high efficiency of the missing mass method in the reconstruction of both charged mother particles and their neutral daughter particles. Being an integral part of the KF Particle Finder package, now the main approach for reconstruction and analysis of short-lived particles in the STAR experiment, the missing mass method will continue to be used for the physics analysis in online and offline modes. The high quality of the results of the express data analysis has led to their status as preliminary physics results with the right to present them at international physics conferences and meetings on behalf of the STAR Collaboration.
• Die wichtigste Aufgabe moderner Großexperimente mit schweren Ionen wie CBM (FAIR), STAR (BNL) und ALICE (CERN) ist eine detaillierte Untersuchung des Phasendiagramms der Quantenchromodynamik (QCD) im Quark-Gluon-Plasma (QGP), der Zustandsgleichung der Materie bei extrem hohen Baryonendichten und des Übergangs von der hadronischen Phase der Materie zur Quark-Gluon-Phase. In der Dissertation wird die Missing-Mass-Methode für die Rekonstruktion kurzlebigerTeilchen mit neutralen Teilchen in ihren Zerfallsprodukten entwickelt und in Form von schnellen Algorithmen und Software für die praktische Anwendung in Experimenten der Schwerionenphysik umgesetzt. Die mathematischen Verfahren zur Umsetzung der Methode wurden für das zukünftige CBM-Experiment (FAIR) entwickelt und in das KF Particle Finder-Paket implementiert und anschließend für die Verarbeitung und Analyse von realen Daten im STAR-Experiment (BNL) angepasst und angewendet. Das KF Particle Finder-Paket wurde entwickelt, um die meisten Signalteilchen aus dem Physikprogramm des CBM-Experiments zu rekonstruieren, darunter Strange-Teilchen, Strange-Resonanzen, Hypernuklei, leichte Vektormesonen, Charm-Teilchen und Charmonium. Das Paket umfasst die Suche nach über hundert Zerfallsprozessen von kurzlebigen Teilchen. Dies macht den KF Particle Finder zu einer universellen Plattform für die Rekonstruktion kurzlebiger Teilchen und die physikalische Analyse, sowohl online als auch offline. Die Missing-Mass-Methode wurde vorgeschlagen, um Zerfallsprozesse von kurzlebigen geladenen Teilchen zu rekonstruieren, wenn eines der Tochterteilchen neutral ist und nicht im Detektorsystem registriert wird. Die Implementierun der Missing-Mass-Methode wurde in das KF Particle Finder Paket integriert, um nach 18 Zerfällen mit einem neutralen Tochterteilchen zu suchen. Wie alle anderen Algorithmen des KF Particle Finder-Pakets ist auch die Missing-Mass-Methode unter extensiver Verwendung von Vektorbefehlen (SIMD) implementiert und für den parallelen Einsatz auf modernen Multi-Core- Hochleistungsrechnern optimiert, die sowohl Prozessoren als auch Coprozessoren umfassen können. Eine Reihe von Algorithmen zur Umsetzung der Methode wurde auf Rechnern mit mehreren Dutzend Kernen getestet und zeigte eine hohe Geschwindigkeit und praktisch lineare Skalierbarkeit in Bezug auf die Anzahl der beteiligten Kerne. Vor allem für die Anfangsphase des für 2025 geplanten CBM-Experiments ist es äußerst wichtig, bereits jetzt mit realen Daten die Zuverlässigkeit des entwickelten Ansatzes, sowie die hohe Effizienz der derzeitigen Implementierung des gesamten KF Particle Finder-Pakets und seines integralen Bestandteils, der die Missing-Mass-Methode implementiert, nachzuweisen. Eine solche Gelegenheit bot das FAIR-Phase-0-Programm, das den Einsatz der ursprünglich für das CBM-Experiment entwickelten Softwarepakete im STAR-Experiment anregte. Die Anwendung der Methode auf reale Daten des STAR-Experiments weist sehr gute Ergebnisse mit einem hohen Signal-Hintergrund-Verhältnis und einem großen Signifikanzwert auf. Die Ergebnisse zeigen die Zuverlässigkeit und hohe Effizienz der Missing-Mass-Methode bei der Rekonstruktion sowohl geladener Mutterteilchen als auch neutralen Tochterteilchen. Als integraler Bestandteil des KF Particle Finder-Pakets, das jetzt der Hauptansatz für die Rekonstruktion und Analyse kurzlebiger Teilchen des STAR-Experiments ist, wird die Missing-Mass-Methode weiterhin für die physikalische Analyse im Online- und Offline-Modus verwendet werden. Die hohe Qualität der Ergebnisse der Express-Datenanalyse hat dazu geführt, dass sie den Status von vorläufigen physikalischen Ergebnissen erhalten haben und im Namen der STAR-Kollaboration auf internationalen Konferenzen und Tagungen vorgestellt werden dürfen.