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Soldner, Christian (2013): The time development of hadronic showers and the T3B experiment, Die Zeitentwicklung hadronischer Schauer und das T3B Experiment. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Der Compact Linear Collider (CLIC) ist ein zukünftiger e+e- Beschleuniger mit einer Kollisionsenergie von bis zu 3 TeV und einer Kollisionsrate der Teilchenbündel von 2 GHz. Damit stellt CLIC besondere Anforderungen an ein Gesamtdetektorsystem. Die Akkumulation von Hintergrundereignissen - wie zum Beispiel aus Beamstrahlung resultierende gamma gamma -> Hadronen Interaktionen - soll durch eine zeitaufgelöste Teilchendetektion in allen Subdetektorsystemen minimiert werden. In der Ereignisrekonstruktion wird die präzise Zuordnung von Ereignissen zu einer kleinen Anzahl aufeinanderfolgender Teilchenbündelkollisionen insbesondere durch die Kalorimeter unterstützt indem man Energiedepositionen einen genauen Zeitstempel zuweist. Andererseits ist die Zeitentwicklung von hadronischen Schauern nicht instantan. Die Anforderungen an die Energieauflösung der Kalorimeter machen eine Integration über einen ausgedehnten Zeitraum unabdingbar. Wolfram ist eines der dichtesten Materialien und soll als Absorber verwendet werden um Teilchenschauer auf engstem Raum und innerhalb der Kalorimeter zu stoppen. Gegenwärtig ist die zeitaufgelöste Propagation hadronischer Schauer in Wolfram experimentell jedoch noch nicht hinreichend erforscht. Das T3B Experiment (Tungsten Timing Test Beam) wurde im Rahmen dieser Arbeit entworfen und konstruiert. Es besteht aus einer Kette von 15 Szintillatorkacheln, deren Lichtsignal durch Photosensoren (SiPMs) detektiert und durch Oszilloskope mit einer Abtastrate von 1.25 GHz digitalisiert wird. Das Experiment wurde dafür entwickelt die Zeitstruktur hadronischer Schauer zu vermessen und herauszufinden wie stark verspätete Energiedepositionen innerhalb eines Schauers beitragen. Der T3B Kachelstreifen wurde hinter zwei Prototypen für Hadronenkalorimeter der CALICE Kollaboration montiert, die mit einer Stahl- bzw. Wolframabsorberstruktur ausgestattet waren. Das T3B Experiment hat während der CALICE Teststrahlphase 2010/2011 am PS und SPS des CERN Hadronenschauer in einem Energiebereich von 2-300 GeV zeitlich vermessen. Eine für den Teststrahlbetrieb optimierte Software zur Datennahme wurde neu konzipiert. Die Entwicklung eines neuartigen Softwarealgorithmus zur zeitlichen Dekomposition von SiPM-Signalen erlaubte es, den Detektionszeitpunkt einzelner Photonen und somit Schauer mit einer zeitlichen Präzision von 1 ns zu studieren. Das T3B Experiment konnte eine erhöhte späte Schaueraktivität in Wolfram relativ zu Stahl nachweisen. Hierzu wurde eine detaillierte Untersuchung der Zeitverteilung der Energiedepositionen bemüht. Außerdem wurde beobachtet, dass der relative Einfluss von späten Energiedepositionen radial mit der Distanz zur Schauerachse zunimmt. Diese Zunahme ist in Wolfram wesentlich stärker ausgeprägt als in Stahl. Es konnte nachgewiesen werden, dass das für Simulationen am LHC und für den Großteil der Physikstudien für CLIC standardmäßig verwendete hadronische Schauermodell QGSP_BERT späte Energiedepositionen systematisch überschätzt. Neu entwickelte Modelle mit speziellem Augenmerk auf niederenergetischen Neutronen reproduzieren die Daten besser. Im Bezug auf die Energie einfallender Teilchen in einem Bereich von 60-180 GeV konnten keine signifikanten Unterschiede im Rahmen der Messunsicherheiten nachgewiesen werden.

Abstract

The compact linear collider (CLIC) is a future linear e+e- collider operated at a center of mass energy of up to 3 TeV and with a collision rate of particle bunches of up to 2 GHz. This poses challenging requirements on the detector system. The accumulation of background events, such as gamma gamma -> hadrons resulting from Beamstrahlung, must be minimized through a precise time stamping capability in all subdetector systems. In the event reconstruction, the energy depositions within the calorimeters will be used to assign events precisely to a small set of consecutive bunch crossings. The finite time evolution of hadronic showers, on the other hand, requires an extended integration time to achieve a satisfactory energy resolution in the calorimeter. The energy resolution is also deteriorated by the leakage of shower particles. Tungsten is foreseen as dense absorber material, but the time evolution of hadron showers within such a calorimeter is not sufficiently explored yet. In the context of this thesis, the T3B experiment (short for Tungsten Timing Test Beam) was designed and constructed. It is optimized to measure the time development and the contribution of delayed energy depositions within hadronic cascades. The T3B experiment consists of 15 scintillator cells assembled in a strip. The scintillation light generated within the cells is detected by novel silicon photomultiplier whose signal is read out with fast oscilloscopes providing a sampling rate of 1.25 GHz. This strip was positioned behind two different calorimeter prototypes of the CALICE collaboration which use a tungsten and steel (for comparison) absorber structure. T3B was part of the CALICE test beam campaign 2010/2011 carried out at the PS and SPS at CERN and acquired data on hadronic showers in an energy range of 2-300 GeV. A test beam optimized data acquisition software was developed from scratch. With the development and application of a novel waveform decomposition algorithm, the time of arrival of photons on the light sensor could be determined with sub-nanosecond precision. Embedded in a custom calibration and analysis framework, this allows for a precise study of shower timing on the nanosecond level. The T3B experiment could prove an increased contribution of the delayed shower component in tungsten with respect to steel via a detailed study of the time distribution of energy depositions. In addition, it is observed that the relative importance of late energy depositions increases with radial distance from the shower axis. This increase is substantially more pronounced in tungsten with respect to steel. It could be shown that the standard hadronic shower model QGSP_BERT, used for shower simulations at the LHC as well as for most CLIC physics studies, overestimates the delayed shower evolution systematically, while high precision extensions using precise neutron tracking models can reproduce the shower timing adequately. No significant difference in the delayed shower contribution was observed for different particle energies in a range between 60 GeV and 180 GeV.