Kurzfassung
Diese Arbeit präsentiert die Untersuchung der zeitlichen Entwicklung hadronischer Schauer in einem hochgranularen Hadronenkalorimeter unter Verwendung von Daten, die mit dem Technologieprototyp des CALICE Analog Hadron Calorimeter (AHCAL) am Super Proton Synchrotron (SPS) am CERN im Juli 2015 in μ−, e− und Hadronenstrahlen bis zu 90 GeV aufgezeichnet wurden.
Hochgranulare Kalorimeter wurden für das Konzept des Particle Flow-Algorithmus entworfen, bei dem für jedes einzelne Teilchen in einem Jet die beste Sub-Detektor-Messung verwendet wird. Der Particle Flow Ansatz ist ein Schlüsselaspekt der Detektoren für den International Linear Collider (ILC), einen zukünftigen linearen Lepton-Collider, der für Präzisionsphysikstudien bei einer Schwerpunktsenergie von bis zu 500 GeV entworfen wurde.
Die CALICE-Collaboration entwickelt hochgranulare Kalorimeter für zukünftige Collider. Das AHCAL ist eines der Detektorkonzepte, basierend auf 30 × 30 × 3 mm3 szintillierenden Kacheln, die von Silizium- Photomultipliern (SiPM) ausgelesen werden. Das SiPM-Signal wird von einem ASIC (SPIROC2b) verarbeitet, der die Amplitude und die Zeit einzelner Kalorimetertreffer messen kann. Ein technologischer Prototyp der zweiten Generation des AHCAL wurde entwickelt, mit dem Fokus auf der Skalierbarkeit des Detektors. Der in dieser Arbeit verwendete Prototyp besteht aus 14 aktiven Lagen, mit 3744 Kanälen, die in eine Stahlabsorberstruktur von 4 λ Tiefe eingesetzt sind. Zum ersten Mal wurde ein großformatiger Prototyp erfolgreich in verschiedenen Teilchen Strahlen betrieben.
Diese Analyse konzentriert sich auf die Fähigkeiten der Zeitmessung des AHCAL-Prototyps. Im ersten Teil wird das Zeitkalibrierungsverfahren vorgestellt, das aufgrund der großen Anzahl von Kanälen und Besonderheiten des Front-Ends anspruchsvoll war. Eine zeitliche Auflösung von 5 ns für Myonen und 8 ns für Elektronen- und Pionschauer wurde erreicht. Im zweiten Teil dieser Dissertation wird die zeitliche Entwicklung von Hadronenschauern mit dem AHCAL-Prototyp untersucht, indem zeitliche Korrelationen mit der Energie eines Treffers, seiner Entfernung zur Schauerachse und zwischen Lagen untersucht werden. Die Ergebnisse der Teststrahldaten wurden mit verschiedenen Simulationen verglichen.
Im letzten Teil dieser Arbeit wird eine Studie über die Auswirkungen von Einschränkungen der Zeit der Kalorimetertreffer, die für die Rekonstruktion verwendet werden, auf die Kalorimeterantwort, die Energieauflösung und die Schauertopologie mit einer vollen, GEANT4-basierten Simulation des International Large Detector (ILD) Konzepts vorgestellt. Die Verwendung der Zeitinformationen der einzelnen Kalorimetertreffer hat das Potenzial, die Mustererkennung und die Energieauflösung des Kalorimeters zu verbessern.
This thesis presents the study of the time development of hadronic showers in a highly granular hadron calorimeter using data collected by the CALICE Analog Hadron Calorimeter (AHCAL) technological prototype at the Super Proton Synchrotron (SPS) at CERN in July 2015 in μ−, e− and hadron beams up to 90 GeV. Highly granular calorimeters are designed for the concept of Particle Flow Algorithm which aims to measure each individual particle in a jet using the best sub-detector measurement. The Particle Flow approach is a key aspect of the detectors for the International Linear Collider (ILC) which is a future linear lepton collider designed for precision physics studies at a center of mass energy up to 500 GeV. The CALICE Collaboration is developing highly granular calorimeters for future colliders. The AHCAL is one of the detector concepts based on 30 × 30 × 3 mm3 scintillating tiles read out by Silicon Photomultipliers (SiPM). The SiPM signal is processed by an ASIC (SPIROC2b) capable to measure the amplitude and the time of individual calorimeter hits. A second generation technological prototype of the AHCAL is developed to focus on the full scalability of the detector. The prototype used in this thesis is composed of 14 active layers corresponding to 3744 channels inserted into a steel absorber structure of 4 λ depth. For the first time, a large scale prototype has been operated successfully in various beams. This analysis concentrates on the timing capabilities of the AHCAL prototype. In a first part, the challenging timing calibration procedure, due to the large amount of channels and features of the front-end, is presented. A timing resolution of 5 ns for muons and 8 ns for electron and pion showers has been achieved. In a second part, this thesis shows the study of the time development of hadron showers with the AHCAL prototype by investigating timing correlations with the hit energy, the hit distance to the shower axis and between layers. The results of the testbeam data have been compared to various simulations. In the last part of this thesis, a study of the effects of timing cuts on calorimeter response, energy resolution and shower topology is presented using a full GEANT4-based simulation of the International Large Detector (ILD) concept. Using the timing information of individual calorimeter hits has the potential to improve pattern recognition and calorimeter energy resolution.