Dieter Zarbock , Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2000
Schlagwörter: Kalorimeter, Kalibration
PACS:
Die Hauptaufgabe des H1-Experiments besteht in der Erforschung der inneren Struktur des Protons durch Messung der Strukturfunktion F2(x,Q2). Für diese Aufgabe stellt der HERA-Doppelspeicherring e±-p-Frontalkollisionen bei Schwerpunktsenergien um s1/2 = 300 GeV zur Verfügung. Die Abtastung der Protonenstruktur mit Leptonen ist somit in bisher unzugänglich gebliebenen Bereichen der kinematischen Ebene in x und Q2 möglich.
Das Backward-Electromagnetic-Calorimeter (BEMC) ist ein Blei-Szintillator-Sampling-Kalorimeter, das über Wellen-längen-schieber und Photodioden ausgelesen wird. Von 1992 bis 1994 wurden mit ihm im H1-Detektor diejenigen Leptonen vermessen, welche aus der Strahlrichtung (qe± = 180° ) in den Polarwinkelbereich von 151° < q < 176° abgelenkt worden sind. Damit oblag dem BEMC die Energiemessung der Elektronen (Positronen) bei tiefinelastischer Streuung im kinematischen Bereich mit zuvor unerreicht gebliebenen kleinsten Werten der Skalenvariablen x, bei kleinen Impulsübertragsquadraten von Q2 < 100 GeV2. Die Präzision der Energiekalibration des BEMC ist von entscheidender Bedeutung, da bereits geringe Fehler bei der Energiemessung zu erheblichen Fehlern in der F2-Bestimmung führen.
In dieser Arbeit wird die Möglichkeit der Verbesserung der Energiekalibration durch den Einsatz eines Lasermonitorsystems und durch die Analyse von QED-Compton-Ereignissen untersucht. Hierzu wurde das Lasermonitorsystem des BEMC fertiggestellt und betrieben. Dieses Lasermonitorsystem ist eine über den VMEbus-Rechner des BEMC-Datenakquisitionssystems steuerbare Anlage, mit der die Lichtimpulse eines Stickstofflasers in ihrer Intensität variiert und in die jeweils letzte Szintillatorplatte eines jeden BEMC-Moduls eingekoppelt werden können. Neben der Auswertung der Lasermonitorläufe wurden QED-Compton-Ereignisse aus den ep-Streudaten selektiert und analysiert. QED-Compton-Ereignisse bilden eine radiative Ereignisklasse, die sich aufgrund ihrer besonderen Kinematik zur in-situ-Kalibration des BEMC anbietet.
Während die üblicherweise am BEMC eingesetzte in-situ-Kalibration über den kinematischen Peak -- einer Ereignisanhäufung im Spektrum elastisch gestreuter Elektronen (Positronen) bei der Strahlenergie -- sich nur an Energieeinkopplungen im Bereich dieser Strahlenergie orientiert, wird mit dem Lasermonitorsystem, wie auch mit den QED-Compton-Ereignissen eine Kalibrationsüberwachung des BEMC bei niedrigeren Energien möglich. Damit wird die BEMC-Kalibration im Hinblick auf ihre Linearität prüfbar.
Lasermonitorläufe haben dazu den Vorteil, dass sie im Prinzip jederzeit und über alle BEMC-Kanäle durchführbar sind. Eine Laserkalibration stellt zwar hohe Anforderungen an die Stabilität des Gesamtsystems aus BEMC und Lasermonitorsystem. Bezüglich der Reproduzierbarkeit wurden aber sehr schnell Resultate erreicht, die mit denen anderer Experimente vergleichbar sind.
Mit der in 1994 aufgezeichneten integrierten Luminosität von insgesamt 4 pb-1, ist nur eine einzige QED-Compton-Kalibration möglich, welche aber schon die Genauigkeit der BEMC-Kalibration von besser als einem Prozent bestätigt. Wie bei der Kalibration über den kinematischen Peak ist die Zählrate im BEMC-Außenbereich nur sehr gering, so dass die Kalibrationsaussage vornehmlich im Innenbereich des BEMC gilt. Daher wächst die Bedeutung der QED-Compton-Kalibration für Messungen bei höherer Luminosität oder unter strahlrohrnäheren Winkeln (mit q->180°).
Die Analysen dieser Arbeit bestätigen, dass das BEMC äußerst stabil und hinreichend genau gearbeitet hat, und bedeuten eine weitere Aufwertung, des mit dem BEMC getätigten Beitrags zur F2-Messung.
The main task of the H1-experiment is the investigation of the inner structure of the proton by determination of the protons structure function F2(x,Q2). For this reason the HERA e±-p-collider produces head-on collisions with center of mass energies of around s1/2 = 300 GeV. Therefore the probing of the protons structure with leptons can be done in an extended region of the kinematic domain in x and Q2 which was never reached before.
The backward electromagnetic calorimeter (BEMC) is a lead-scintillator-sampling-calorimeter which is readout via wavelengthshifters and photodiodes. From 1992 to 1994 it has measured leptons in H1 which were scattered out of their beam-direction (qe± = 180°) into the polar angle region with 151° < q < 176° . So it was the task of the BEMC to measure the electron-(positron-)energies from deep-inelastic-scattering of the smallest x-values ever reached at small four momentum transfers with Q2 < 100 GeV2. The precision of the energy calibration is crucial, due to the fact that small errors in the energy measurement will imply big errors in the F2-determination.
In this thesis an improvement of the energy calibration is discussed, reachable using a lasermonitorsystem and a QED Compton analysis. For this purpose the lasermonitorsystem of the BEMC was completed and operated. This system is a machine which is controllable by the VMEbus-computer of the BEMC-Data-Acquisiton-System. Light pulses of a N2-laser can be adapted in their intensity and coupled into each last scintillator-plate of each BEMC-module. In addition to the laser-analysis QED Compton events were selected and analysed. These QED Compton events belong to radiative-ep-scattering and they are well-suited for an in situ calibration of the BEMC.
The mainly-used in situ calibration for the BEMC, the calibration using the kinematic peak -- which is an event-accumulation in the spectra of elastic-scattered electrons (positrons) around the beam energy -- is oriented by energies around the beam-energy, while the lasermonitorsystem, like the QED-Compton-calibration, allows a calibration check for the BEMC at lower energies. This gives rise for a linearity check on the calibration.
The lasermonitoring can be performed in principle at every time and for all BEMC-channels which is a great advantage. Although lasercalibrating makes high demands on stability of the whole system of the BEMC and its lasermonitorsystem, the reproducibility reached very fast the values of comparable experiments.
The integrated luminosity of around 4 pb-1 which was accumulated in 1994 by H1 allowed only one QED Compton calibration which confirms a BEMC-calibration of better than one percent. Similar to the kinematic peak calibration the counter-rates in the outer BEMC-region are small, and therefore those in situ calibrations are only valid for the inner region of the BEMC. Thus, the QED Compton calibration is more interesting for measurements with higher luminosity or polar angles closer to the beam-pipe (q->180°).
Both techniques described in this thesis validate the stable and precise operation of the BEMC and revalues the contribution of the BEMC to the F2-measurement.