Kurzfassung
Die CALICE Kollaboration entwickelt hadronische Kalorimeter mit hoher Granularität für Experimente an zukünftigen Elektron-Positron Linear-Beschleunigern. Die Kollaboration arbeitet an unterschiedlichen Kalorimeter-Konzepten, die sich in ihrem aktiven Medium, ihrer Auslese, Auslese-Granularität und ihren Energierekonstruktions-Methoden unterscheiden. Das Analoge Hadronische Kalorimeter (AHCAL) benutzt 3 × 3cm2 große, szintillierende Plastik-Kacheln, welche es mit Silizium-Photomultipliern (SiPMs) analog ausliest. Das Digitale Hadronische Kalorimeter (DHCAL) besteht aus Widerstandsplattenkammern (RPCs), welche mit 1 × 1 cm2 großen Pad-Dioden digital ausgelesen werden. Das Semi-Digitale Hadronische Kalorimeter (SDHCAL), welches ebenfalls RPCs als aktives Medium nutzt, liest die Signale der 1 × 1 cm2 großen Pad-Dioden mit 3 Schwellen aus. Diese drei Kalorimeter-Konzepte wurden in 1m3 großen Prototypen realisiert und mit Stahlabsorber in Teststrahl-Kampagnen getestet.
Diese Arbeit befasst sich mit der Frage, wie die drei Unterschiede: aktives Medium, Auslese und Granularität, die Energieauflösung beeinflussen. Hierzu wurden die unterschiedlichen Energierekonstruktions-Methoden auf die AHCAL Daten und die AHCAL Simulation angewandt und der Effekt auf die Energieauflösung untersucht. Zusätzlich wurde ein Kompensations-Algorithmus entwickelt, der Hits anhand ihrer Energiedichte gewichtet, wodurch die unterschiedlich hohe Sensitivität auf elektromagnetische und hadronische Teilchenschauer-Komponenten korrigiert wird. Hierdurch kann der Effekt von Fluktuationen in der π0 Erzeugung unterdrückt werden. Die bestmögliche Energieauflösung des AHCAL kann nur mit analoger Signalauslese erreicht werden und benötigt die Anwendung des Kompensations-Algorithmus’.
Der Effekt einer feineren Granularität der Zellen wurde mit einer Simulation des AHCAL mit 1 × 1 cm2 großen Kacheln untersucht. Es konnte festgestellt werde, dass eine semi-digitale Auslese eines HCALs mit 1 × 1 cm2 großen Szintilator-Kacheln ausreicht um die bestmögliche Energieauflösung zu erreichen.
Zum Vergleich der aktiven Medien wurden die DHCAL Teststrahldaten kalibriert und die DHCAL Simulation den Myonen- und Positronen-Daten angepasst. Die erzielten Energieauflösungen konnten mit der AHCAL Simulation mit einer Granularität von 1 × 1cm2 verglichen und so
der Effekt des aktiven Mediums untersucht werden.
Letztlich wird ein Vergleich der Energieauflösungen der Daten und der Simulation des AHCALs, DHCALs und SDHCALs gezeigt und diskutiert.
The CALICE collaboration develops hadron calorimeter technologies with high granularity for future electron-positron linear colliders. These technologies differ in active material, granularity and their readout and thus their energy reconstruction schemes. The Analogue Hadron Calorimeter (AHCAL), based on scintillator tiles with Silicon Photomultiplier readout, measures the signal amplitude of the energy deposition in the cells of at most 3 × 3 cm2 size. The Digital, Resistive Plate Chamber (RPC) based, HCAL (DHCAL) detects hits above a certain threshold by firing pad sensors of 1 × 1 cm2. A 2 bit readout is provided by the, also RPC based, Semi-Digital HCAL (SDHCAL), which counts hits above three different thresholds per 1 × 1cm2 pad. All three calorimeter concepts have been realised in 1m3 prototypes with in- terleaved steel absorber and tested at various test beams. The differences in active medium, granularity and readout have different impacts on the energy resolution and need to be studied independently. This analysis concentrates on the comparison between these technologies by investigating the impact of the different energy reconstruction schemes on the energy resolution of the AHCAL testbeam data and simulation. Additionally, a so-called software compensation algorithm is developed to weight hits dependent on their energy content and correct for the difference in the response to the electromagnetic and hadronic sub-showers (e/h non-equal to 1) and thus reduce the influence of fluctuations in the π0 generation. The comparison of the energy resolutions revealed that it is mandatory for the AHCAL with 3 × 3cm2 cell size to have analogue signal readout, to apply the software compensation algorithm and thus achieve the best possible energy resolution. The effect of the granularity is studied with a simulation of the AHCAL with 1 × 1cm2 cell size, and it has been found that to achieve the best possible energy resolution the semi-digital energy reconstruction is sufficient. To study the impact of the active medium, the DHCAL testbeam data was calibrated and the simulation was tuned using the muon and positron data. The energy resolutions, achieved by the DHCAL data and simulation and achieved by the 1 × 1 cm2 AHCAL simulation using the digital energy reconstruction, are successfully used to investigate the influence of the active medium. Finally, the energy resolutions of the data and simulations of the AHCAL, DHCAL and SDHCAL are compared and the influences discussed.