Die CALICE Kollaboration entwickelt bildgebende Kalorimeter für Präzisionsmessungen an einem zukünftigen Elektron-Positron Linearbeschleuniger. Diese Kalorimeter zeichnen sich durch eine feine Segmentierung in longitudinaler und transversaler Richtung aus, die für die Schauer-Separation durch Particle Flow Rekonstruktionsalgorithmen benötigt wird. CALICE hat Prototypen für mehrere Designoptionen für elektromagnetische Kalorimeter und Hadronkalorimeter konstruiert und seit 2005 im Rahmen kombinierter Teststrahlmessungen am DESY, CERN, und Fermilab betrieben. Der Schwerpunkt dieser Dissertation liegt auf dem Prototypen für ein Hadronkalorimeter mit analoger Auslese (AHCAL), bei dem es sich um ein 1 m3 großes Szintillator-Stahl Samplingkalorimeter mit einer Tiefe von 5.3 nuklearen Wechselwirkungslängen handelt. Jede Szintillatorlage ist aus mehreren Ziegeln mit integrierten Silizium Photomultipliern (SiPM) zur Auslese des Szintillationslichts zusammengesetzt. Mit insgesamt 7608 Auslesekanälen ist das AHCAL die erste Anwendung von SiPMs im großen Maßstab.
Diese Arbeit behandelt die Inbetriebnahme und den Betrieb des AHCAL und anderer Detektoren für mehrere Monate an der Fermilab Teststrahlanlage in den Jahren 2008 und 2009 und die Analyse von Elektron- und Piondaten, die während dieser Messungen aufgezeichnet wurden. Die Analyse erstreckt sich über Energien von 1 GeV bis 30 GeV und ist die erste Analyse von AHCAL-Daten unterhalb von 8 GeV. Da die Reinheit der aufgezeichneten Daten für die Analyse nicht ausreicht, werden Kriterien zur Selektion von Elektronen und Pionen bei diesen Energien und eine Methode zur Abschätzung der Reinheit dieser Datensätze entwickelt.
Für die Kalibration von Detektoren, die SiPMs verwenden, werden Parameter benötigt, die sich mit Betriebsspannung und Temperatur ändern. Die Korrektur der Effekte von Temperaturänderungen auf diese Parameter während der Datennahme und die Portierung der Parameter zu unterschiedlichen Betriebsbedingungen werden für das AHCAL ausgewertet. Dies ist wichtig für die Verwendung dieser Technologie in einem Beschleunigerexperiment, bei dem eine Rekalibrierung nach der Installation nicht mehr auf kurzen Zeitskalen möglich ist. Es werden ferner Verfahren vorgestellt, um tote, stark rauschende, und instabile AHCAL-Zellen zu identifizieren, die das Detektorverhalten insbesondere bei niedrigen Energien beeinflussen.
Das Ziel der in dieser Arbeit vorgestellten Analyse niederenergetischer Elektrondaten (1 GeV bis 20 GeV) ist die Auswertung des AHCAL-Verhaltens, die Überprüfung der Detektorkalibration, und die Bestätigung des Verständnisses des Detektors und der Simulation in diesem Energiebereich. Außerdem werden detaillierte Vergleiche zwischen niederenergetischen Piondaten (2 GeV bis 30 GeV) und verschiedenen Modellen präsentiert, die in der GEANT4 Simulationssoftware implementiert sind. Diese Vergleiche erlauben die Überprüfung der Simulationen, die Untersuchung der Eigenarten einzelner Modelle, und geben Aufschluss über mögliche Verbesserungen der Simulation hadronischer Schauer. Der Energiebereich, den diese Analyse abdeckt, ist besonders wichtig, da er sich über die Gültigkeitsgrenzen mehrerer der untersuchten Modelle erstreckt. Das bildgebende Potential des AHCAL wird ausgenutzt, um die Vergleiche vom gesamten Detektorsignal auf topologische Schauereigenschaften auszudehnen.
The CALICE collaboration develops imaging calorimeters for precision measurements at a future electron-positron linear collider. These calorimeters feature a fine granularity in both longitudinal and transverse direction, which is needed to fulfill the shower separation requirement of Particle Flow reconstruction algorithms. CALICE has constructed prototypes for several design options for electromagnetic and hadron calorimeters and has successfully operated these detectors during combined test-beam programs at DESY, CERN, and Fermilab since 2005. The focus of this dissertation is on the prototype for a hadron calorimeter with analog readout (AHCAL), which is a 1 m3 scintillator-steel sampling calorimeter with 38 sensitive layers and a depth of 5.3 nuclear interaction lengths. Each scintillator layer is pieced together from separate tiles with embedded silicon photomultipliers (SiPMs) for measuring the scintillation light. With a total of 7608 readout channels, the AHCAL prototype represents the first large-scale application of SiPMs.
This thesis covers the commissioning and operation of the AHCAL and other detectors for several months at the Fermilab Test-beam Facility in 2008 and 2009 and the analysis of electron and pion data collected during these measurements. The analysis covers energies from 1 GeV to 30 GeV and is the first analysis of AHCAL data at energies below 8 GeV. Because the purity of the recorded data is not sufficient for analysis, event selection procedures for electrons and pions at these energies and a method to estimate the purities of these data samples are developed.
The calibration of detectors employing SiPMs requires parameters that change with operating voltage and temperature. The correction of these parameters for the effects of temperature variations during data collection and their portability to different operating conditions are evaluated using the AHCAL as an example. This is important for the use of this technology in a collider experiment where a re-calibration after installation is not feasible on short time scales. In addition, procedures to identify dead, noisy, and unstable cells in the AHCAL, which affect the detector performance especially at low particle energies, are introduced.
The analysis of low-energetic electron data (1 GeV to 20 GeV) presented in this thesis aims at evaluating the AHCAL performance, checking the detector calibration, and validating the understanding of both the detector and the simulations in this energy range. Detailed comparisons between pion data at low energies (2 GeV to 30 GeV) and different models implemented in the GEANT4 simulation toolkit are presented as well. This analysis allows for validating the simulations and studying the features of individual models and gives indications for possible refinements of the simulation of hadron cascades. The energy range covered by this analysis is particularly important because it includes the validity limits of several of the investigated models. The imaging capabilities of the AHCAL are exploited to extend the range of comparisons from the overall detector response to topological cascade features.