Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Neutrino-Oszillationsexperiments OPERA verfasst, mit dem der Oszillationskanal νμ → ντ direkt gezeigt wird. Im OPERA-Detektor werden dazu Tau-Neutrinos in einem ursprünglich reinen Myon-Neutrino-Strahl, dem CNGS-Strahl, nachgewiesen. Ein wichtiger Teil des Detektors ist der Precision Tracker (PT), ein Driftröhrendetektor, der aus 9504 Röhren in 198 Modulen besteht.
In dieser Arbeit wurden mehrere Steuerungskomponenten der Slow Control des PT entwickelt und implementiert, die den Betrieb des PT über mehrere Jahre Datennahme sicherstellten, und hauptsächlich die geometrische Kalibration des Detektors, das Alignment, durchgeführt.
Das Alignment wird sowohl hardware- als auch softwarebasiert vorgestellt. Die softwarebasierten Methoden, die mithilfe gerader Teilchenspuren die Detektorkomponenten geometrisch korrigieren, wurden entwickelt und umgesetzt. Besonderheit bei OPERA ist die Tatsache, dass bei diesem Niedrigratenexperiment eine relativ geringe Anzahl von Teilchenspuren vorliegt.
Bei den Rotationskorrekturen einzelner Module wurde ein statistischer Fehler von 0,2 mrad, bei den Translationskorrekturen in x- und z-Richtung von 32 μm erreicht. Für das Alignment zwischen zwei benachbarten PT-Wänden liegt der statistische Fehler bei unter 8 μm. Die Ergebnisse eines Positionsüberwachungssytems konnten für alle Analysen berücksichtigt werden. Alle Methoden wurden auch mithilfe von Monte-Carlo-Simulationen überprüft. Die Vorgaben an die Impulsauflösung (Δp/p ≤ 0,25) bis 25 GeV werden erreicht. Für den hohen Energiebereich ab 25 GeV zeigt die Analyse der Impulsauflösung eine signifikante Verbesserung der Impulsbestimmung mit den neuen Alignmentwerten.
Die besondere Bedeutung des Alignments zeigt sich vor allem in der Analyse kosmischer Teilchen. Für das Ladungsverhältnis kosmischer Myonen Rμ wird ein konstanter linearer Verlauf in Abhängigkeit des Winkels der einfallenden Teilchen erwartet, dessen reduziertes χ² einer linearen Anpassung sich mit dem neuen Alignment verbessert. Die Wahrscheinlichkeit für das χ² steigt dabei auf bis zu 58%. Das Ladungsverhältnis wurde auch in Abhängigkeit der Teilchenenergie im Hinblick auf das Alignment untersucht. Die Analyse der kosmischen Teilchen wird durch das softwarebasierte Alignment erst ermöglicht und optimiert.
Für die Betrachtung der Strahldaten in OPERA, sowie für Analysen niederenergetischer kosmischer Teilchen der bisher aufgenommenen Daten, ist das vorgestellte Alignment sehr erfolgreich.
The present thesis was composed during the course of the OPERA experiment, which aims to give a direct evidence for neutrino oscillations in the channel νμ → ντ. The OPERA detector is designed to observe the appearance of tau neutrinos in an originally pure muon neutrino beam, the CNGS beam. As important part of the detector the precision tracker (PT), a drift tube detector, consists of 9504 drift tubes in 198 modules.
In this thesis, several parts of the slow control of the PT are developed and implemented to ensure operation during data taking over several years. The main part is the geometric calibration, the alignment of the detector.
The alignment procedure contains both hardware and software parts, the software methods are developed and applied. Using straight particle tracks, the detector components are geometrically corrected.A special challenge for the alignment for the PT is the fact that at this kind of low-rate experiment only a small number of particle tracks is available.
With software-based corrections of the module rotation, a systematic error of 0.2 mrad has been attained, for corrections of translation, a systematic error of 32 μm is reached. For the alignment between two adjacent PT walls, the statistical error is less than 8 μm. All results of the position monitoring system are considered. All developed methods are tested with Monte Carlo simulations. The detector requirements (Δp/p ≤ 0.25 below 25 GeV) are met. The analysis of the momentum measurement for high energies above 25 GeV demonstrates the resulting improvement. The mean momentum is falling significantly using the new alignment values.
The significance of the detector alignment becomes most evident in the analysis of cosmic particles. The muon charge ratio Rμ is expected not to be angular-dependent. The χ² probability of the measured distribution improves up to 58 %. The muon charge ratio was also investigated in dependence of particle energy in terms of the alignment. The analysis of cosmic particles becomes possible and is optimized by the implemented software-based alignment.
For the analysis of neutrino beam data in OPERAas well as for the analysis of low-energy cosmic particles, the presented alignment is very successful.