Kurzfassung
Am geplanten International Linear Collider (ILC) ist der Einsatz von
polarisierten Elektron- und Positron-Strahlen einer der zentralen
Bestandteile, um die angestrebten Präzisionsmessungen zu
verwirklichen. Dazu ist die Messung der Strahlpolarisation mit einer
nie zuvor erreichten Genauigkeit von δP/P=0,25% erforderlich.
Zu diesem Zweck sind Messungen mit Compton-Polarimetern vor und nach
dem Wechselwirkungspunkt beabsichtigt.
In dieser Arbeit wird ein neuartiges Konzept für einen
Detektor für die ILC-Polarimetrie präsentiert, um
eine Hauptquelle systematischer Unsicherheiten auszuschalten, die bei
den besten Messungen in der Vergangenheit ein limitierender Faktor war:
ein Detektor, bei dem Quarz als Čerenkov-Medium verwendet wird,
könnte die Toleranz gegenüber
Photodetektor-Nichtlinearitäten erhöhen. Der hohe
Brechungsindex von Quarzglas führt zu einer
größeren Ausbeute an Čerenkov-Licht im Vergleich zu
konventionellen Čerenkov-Gasen. Das könnte erlauben, die
Beiträge einzelner Compton-Elektronen zu den am Polarimeter
gemessenen Photonspektren aufzulösen.
Die detaillierten Simulationsstudien, die in dieser Arbeit vorgestellt
werden, lassen darauf schließen, dass so ein
Auflösungsvermögen erreicht werden kann.
Erwägungen bei der Auswahl einer geeigneten Detektor-Geometrie
werden diskutiert. Ein Prototyp-Detektor mit vier Kanälen
wurde konstruiert und erfolgreich in einer ersten Messkampagne im
Teststrahl am DESY eingesetzt, wobei Vorhersagen der Simulation
bestätigt werden konnten. Obwohl weitere Studien
nötig sind, um alle Aspekte der Detektorantwort zu
quantifizieren, sind die Ergebnisse der ersten Teststahl-Messungen
vielversprechend im Hinblick auf das Erreichen der angestrebten
Lichtausbeute.
Im letzten Teil dieser Arbeit wird der Einsatz eines Detektorsystems
mit der angestrebten Auflösung einzelner Compton-Elektronen
zur Polarisationsmessung am ILC untersucht. Zwei der Hauptquellen
für systematische Unsicherheiten bei den Polarimeter-Messungen
sind Detektor-Nichtlinearitäten und Ausrichtungsfehler. Die
Leistung des vorgeschlagenen Quarzdetektor-Konzepts in Monte
Carlo-Simulationen verspricht eine Kontrolle dieser Unsicherheiten, die
die Ansprüche für die Genauigkeiten erfüllt.
At the proposed International Linear Collider (ILC), the use of
polarised electron and positron beams is a key ingredient of the
physics program. A measurement of the polarisation with a yet
unprecedented precision of δP/P=0.25% is required. To achieve
this, Compton polarimeter measurements in front of and behind the
collision point are foreseen.
In this thesis, a novel concept for a detector for ILC polarimetry is
introduced to eliminate one of the dominating systematics limiting the
previous best measurement of beam polarisation: a detector using quartz
as Cherenkov medium could increase the tolerance against non-linear
photodetector responses. The high refractive index of quartz results in
a higher Cherenkov light yield compared to conventional Cherenkov
gases. This could allow single-peak resolution in the Cherenkov photon
spectra produced by the Compton electrons at the polarimeters.
The detailed simulation studies presented in this work imply that such
single-peak resolution is possible. Considerations for the choice of a
suitable detector geometry are discussed. A four-channel prototype has
been constructed and successfully operated in a first testbeam campaign
at the DESY testbeam, confirming simulation predictions. Although
further studies have to be considered to quantify all aspects of the
detector response, the findings of the analysis of the data from the
first testbeam are promising with regards to reaching the desired light
yield.
In the final part of this thesis, the application of a detector concept
allowing single-peak resolution to the polarisation measurement at the
ILC is examined. Two of the main sources of systematic uncertainties on
the polarimeter measurements are detector non-linearities and
misalignments. The performance of the suggested quartz detector concept
in Monte Carlo studies promises a control of these systematics which
meets the precision requirements for ILC polarimetry.