In laufenden und zukünftigen Hochenergiephysikexperimenten spielt Kalorimetrie eine entscheidende Rolle. Die Entwicklung neuer Kalorimeter, die auf die erwarteten Signaturen optimiert sind, erfordert sowohl die Erforschung neuer Auslesetechnolgien, als auch die Entwicklung spezialisierte Rekonstruktionsalgorithmen.
Das Design eines Kalorimetersystems mit dem die hohen Präzisionsansprüche an Messungen an einem zukünftigen Linearbeschleuniger, wie z. B. dem ILC, erfüllt werden können, basiert auf dem "Particle Flow" Prinzip. Diese Rekonstruktionsphilosophie beruht auf einem Kalorimetersystem mit hoher räumlicher Auflösung. Im Rahmen der Detektoroptimierung gehen die Entwicklung von Hard- und Software Hand-in-Hand, so dass beide Bereiche gemeinsam beurteilt werden müssen.
Diese Arbeit behandelt zwei unterschiedliche Gesichtspunkte der Detektoroptimierung. Zum einen wird das Detektordesign anhand eines physikalischen Szenarios untersucht, des weiteren wird eine stabile Kalibrierungsmethode für einen Detektorprototypen entwickelt.
Im ersten Teil werden die Anforderungen an das elektromagnetische Kalorimeter werden anhand einer vollen Detektorsimulation überprüft. Dabei werden die Eigenschaften von Neutralinos bestimmt, die jeweils in ein Gravitino und ein Photon zerfallen. Dieses Szenario ist Teil einer supersymmetrischen Theorie, in der die Symmetriebrechung durch Eichwechselwirkungen übertragen wird. Die Photonen aus dem Neutralinozerfall müssen mit guter Energie-, Positions-, und Winkelauflösung gemessen werden. Die Genauigkeit mit der die Messung der Neutralinomasse erfolgen kann, hängt von der erreichten Energieauflösung ab. Die Positions- und die Winkelauflösung bestimmen den Fehler bei der Lebensdauermessung.Im zweiten Teil wir die Kalibrierung eines Prototypen des hadronischen Kalorimeters untersucht. In diesem Prototypen werden 7608 neuartige Lichtsensoren verschiedenen Strahlen bekannter Energie und Teilchenart ausgesetzt. Es wir das Ansprechverhalten auf elektromagnetische Schauer untersucht, das zur Bestätigung der Kalibrierung, insbesondere der Korrektur des nicht-linearen Verhaltens der SiPM, dient.
Calorimetry plays a crucial role in ongoing and upcoming high-energy physics experiments. To build a powerful calorimetric system with a performance tailored to the expected physics signatures, demands dedicated research and development of new readout technologies as well as dedicated reconstruction algorithms.
The presented design of a calorimetric system which meets the high demands of precision physics at the future linear collider ILC, follows the paradigm of particle flow. Particle flow is a reconstruction principle that relies on a calorimetric system with high spatial granularity. In the detector optimisation process, the development of hardware and software are interlinked and cannot be judged independently.
This thesis addresses two different aspects of detector optimisation, a test of the detector design against one example physics scenario and the development of a stable calibration procedure.
In the first part, a gauge-mediated Supersymmetry breaking scenario is used to test the design of the electromagnetic calorimeter in a full detector simulation study. The reconstruction of the neutralino properties, each decaying into a photon and a gravitino, requires a good energy resolution, as well as excellent position and angular resolution. The error bounds on the neutralino mass is strongly linked to the energy resolution, while the position and angular reconstruction of neutral particles is essential for the determination of the neutralino lifetime.
The second part of this thesis focuses on the calibration procedure for a prototype of the hadron calorimeter. 7608 novel photodetectors are operated and tested in this prototype. They are exposed to beams of well defined particle type and energy. The calibration is tested with a detailed study of electromagnetic showers inside the cubic-metre-sized prototype, with special attention paid towards the non-linearity correction.