Um das Physikpotential eines Elektron-Positron-Beschleunigers wie des Internationalen Linear Beschleunigers (ILC) auszuschöpfen, werden exzellente Detektoren benötigt. Es wurden verschiedene Detektorkonzepte für den Einsatz am ILC evaluiert, von denen zwei auf dem "Particle-Flow"-Ansatz aufbauende angenommen wurden. Der "Particle-Flow"-Ansatz basiert darauf, die Spur einzelner Teilchen durch den gesamten Detektor verfolgen zu können. Hierfür benötigt man neben einem hochperformanten Spurdetektor eine neue Klasse von Kalorimetern, welche sich durch eine besonders feine Unterteilung der Auslesesegmente, sowohl in Längs- als auch Querrichtung, auszeichnen. Momentan werden verschiedene Technologien getestet, die eine entsprechende Segmentierung erreichen können. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der analogen hadronischen Kalorimetertechnologie. Dabei werden nicht nur die technologischen Aspekte fein segmentierter Kalorimeter betrachtet, sondern auch die Physik von Hadronschauern untersucht.
Die analoge hadronische Kalorimetertechnologie verbindet ein klassisches Stahl-Szintillator-Schaschlikkalorimeter mit einem modernen Photosensor, dem Siliziumphotomultiplier (SiPM). Der SiPM ist ein millimetergroßer, magnetfeldunempfindlicher und kostengünstiger Sensor, der neuartige Kalorimeterdesigns erlaubt. In dieser Arbeit werden das Arbeitsprinzip und die Betriebseigenschaften der SiPMs dargestellt. Die Anforderungen an eine integrierte Ausleseelektronik (ASIC) werden diskutiert, und der Prototyp eines neuen Auslesechips für SiPMs (SPIROC) wird vermessen. Außerdem wird die SiPM-spezifische Rekonstruktion anhand eines Prototypkalorimeters mit mehreren tausend Auslesekanälen, dem CALICE AHCAL, erklärt. Zusätzlich wird die systematische Unsicherheit der Detektorkalibration hergeleitet.
Das AHCAL dient nicht nur dem Test der Technologie, sondern bietet auch die Möglichkeit die Struktur von Hadronschauern mit bisher unerreichter Genauigkeit zu messen. Die mit dem AHCAL durchgeführten Teststrahlmessungen stellen eine einzigartige Datenquelle für die Entwicklung neuer Analysemethoden und die Überprüfung verschiedener Hadronschauersimulationen dar. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methode zur Bestimmung des Ortes der ersten harten Wechselwirkung in Hadronschauern entwickelt. Mit Hilfe dieser Methode werden Schauerprofile ohne die Fluktuation in der Position der ersten Wechselwirkung gemessen. Zusätzlich wird die Positionsinformation genutzt, um den Energieverlust aufgrund der begrenzten Detektortiefe abzuschätzen und zu korrigieren.
Die Ergebnisse der Hadronschauerstudien werden benutzt um die Vorhersagen verschiedener Simulationsmodelle zu testen. Dazu wird die Geant4 basierte Simulation des Teststrahls und die Modellierung des Detektors eingeführt. Um die Aussagekraft des Vergleichs zu überprüfen, werden die Detektorsimulation und die Annahmen zu den Rekonstruktionsunsicherheiten mit elektromagnetischen Schauern überprüft. Die Studien umfassen dreizehn verschiedene Geant4 Physiklisten die sechs unterschiedliche Hadronschauermodelle kombinieren. Die Vorhersagen von Schauerform, Detektorsignal und Detektorauflösung werden mit den Teststrahlmessungen verglichen.
A future electron-positron collider like the planned International Linear Collider (ILC) needs excellent detectors to exploit the full physics potential. Different detector concepts have been evaluated for the ILC and two concepts based on the particle-flow approach were validated. To make particle-flow work, a new type of imaging calorimeters is necessary in combination with a high performance tracking system, to be able to track the single particles through the full detector system. These calorimeters require an unprecedented level of both longitudinal and lateral granularity. Several calorimeter technologies promise to reach the required readout segmentation and are currently studied. This thesis addresses one of these: The analogue hadron calorimeter technology. It combines work on the technological aspects of a highly granular calorimeter with the study of hadron shower physics.
The analogue hadron calorimeter technology joins a classical scintillator-steel sandwich design with a modern photo sensor technology, the silicon photomultiplier (SiPM). The SiPM is a millimetre sized, magnetic field insensitive, and low cost photo-sensor, that opens new possibilities in calorimeter design. This thesis outlines the working principle and characteristics of these devices. The requirements for an application specific integrated circuit (ASIC) to read the SiPM are discussed; the performance of a prototype chip for SiPM readout, the SPIROC, is quantified. Also the SiPM specific reconstruction of a multi-thousand channel prototype calorimeter, the CALICE AHCAL, is explained; the systematic uncertainty of the calibration method is derived.
The AHCAL does not only offer a test of the calorimeter technology, it also allows to record hadron showers with an unprecedented level of details. Test-beam measurements have been performed with the AHCAL and provide a unique sample for the development of novel analysis techniques and the validation of hadron shower simulations. A method to identify the position of the first hard interaction in hadron showers is developed in this work. It is applied to measure hadron shower profiles without the fluctuations in the position of the first hard interaction and to estimate and correct for longitudinal leakage.
Finally, different hadron simulation models are confronted with the measured data. The Geant4 based simulation of the test-beam is explained; the detector modelling and the systematic error assumptions are verified with electromagnetic showers. The studies comprise thirteen different Geant4 physics lists and six different hadron shower models. Both the description of the spatial shower development and the modelling of the detector response and the resolution are tested.