Kalibration des H1 Spaghetti{Kalorimeter mit Halo Myonen

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  • Kalibration des H SpaghettiKalorimeter

    mit Halo Myonen

    Diplomarbeit

    von

    Carsten Alexander Arndt

    II Institut fur Experimentalphysik

    der Universitat Hamburg

    Dezember

  • Erklarung

    Hiermit bestatige ich die vorliegendeDiplomarbeit eigenhandig und unterZuhilfenahme der angegebenen Quellenangefertigt zu haben

    Carsten Arndt

  • Inhaltsverzeichnis

    Einleitung

    Physikalische Grundlagen

    Tiefinelastische Streuung Kinematik Die Strukturfunktion des Protons

    Kalorimetrie Wechselwirkung von Elektronen und Photonen in Materie Elektromagnetische Schauer

    Hadronische Schauer Nachweis minimal ionisierender Teilchen

    Das H Spaghetti Kalorimeter

    Technischer Aufbau des SPACAL SPACAL Elektronik

    Kalibration des SPACAL am H Detektor

    Kalibration mit Photoelektronen Kalibration mit Hilfe des kinematischen Maximums Kalibration mit kosmischen Myonen Kalibration mit Protonstrahl Halo Myonen

    Kalibration des SPACAL mit Halo Myonen

    Ereignisselektion Trigger fur Halo Myonen Ereignisrate

    Selektion von Halo Kandidaten im SPACAL Ansprechverhalten des SPACAL auf Halo Myonen Diskussion der Ergebnisse aus der Energiekalibration

    Berechnung der Kalibrationsfaktoren Diskussion der Kalibrationsfaktoren

    Diskussion systematischer Fehler

    i

  • Zeitkalibration

    Das TDCSystem Bestimmung der TDCOsets

    Zusammenfassung

    A Test eines Supermoduls mit und ohne Magnetfeld am Teststrahl

    A Versuchsaufbau A Der Teststrahl A Positionierung eines Supermoduls im Magnetfeld

    A Messungen und Ergebnisse A Kalibration des Supermoduls am Elektronenstrahl A LinearitatsTest A EnergieAuosung A Homogenitat des Ansprechverhaltens

    A Zusammenfassung des Magnetfeld Tests

    ii

  • Einleitung

    Am Deutschen Elektronensynchrotron DESY untersucht man mit Hilfe der PositronElektron ProtonStreuung die Struktur des Protons und die Eigenschaften der elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkung Die Positronen und Protonen werdendurch ein System aus verschiedenen Vorbeschleunigern in den Speicherring HERA injiziertAbbildung

    Abbildung Die HERA Speicherringanlage und deren Vorbeschleunigersystem

    Bis zu Proton und Positronpakete durchlaufen hintereinander die km langeAnlage in getrennten Strahlrohren Die Positronen und Protonen werden dort auf Energienvon GeV beziehungsweise GeV beschleunigt und an zwei Wechselwirkungszonenzur Kollision gebracht

  • Dabei steht eine Schwerpunktsenergie vonps

    GeV mit einemmaximalenVierer

    impulsubertrag von Qmax s GeV zur Verfugung Nach der HeisenbergschenUnscharferelation Hei

    x p h benotigt man umso hohere Energien je kleiner die zu erforschenden Dimensionen sindFur die bei HERA zur Verfugung stehenden Parameter bedeutet das eine maximale Ortsauosung von x m Um die Wechselwirkungen zwischen den kollidierendenPositronen und Protonen studieren zu konnen werden die Wechselwirkungszonen nahezuhermetisch von den Detektoren H und ZEUS umschlosssen Diese sind in der Lage diebei der Wechselwirkung enstehenden Teilchen zu identizieren und deren Energie undFlugrichtung zu messen

    HERA ermoglicht die Erforschung neuer Bereiche in der ElementarteilchenphysikSchwerpunkte werden hier beim Test des Standardmodells der Erforschung der Physik schwerer Quarks und der Suche nach neuen exotischen Teilchen gelegt Der eigentliche Schwerpunkt bei HERA ist die Durchfuhrung von Streuexperimenten bei denen dieStruktur des Nukleons insbesondere die Impulsverteilung der Quarks und Gluonen imProton erforscht werden soll Bei der Analyse tienelastischer Streuprozesse im Bereichkleiner xBjorken erhot man sich neue Erkenntnisse uber die Strukturfunktion des ProtonsFxQ Die Groe xBjorken stellt im QuarkPartonModell den Impulsanteil des vomPositron getroenen Quarks am Gesamtimpuls des Protons dar

    Aufgrund des gestiegenen Interesses an Streuprozessen bei kleinem xBjorken gewinntder ruckwartige Bereich des HDetektors zunehmend an Bedeutung Aus diesem Grundwurde im Marz

    der ruckwartige Bereich des HDetektors mit einem neuen Kalorimeter bestuckt Dieses Kalorimeter wird aufgrund der dort verwendeten szintillierendenFasern allgemein SpaghettiKalorimeter oder kurz SPACAL genannt Gegenuber seinemVorgangerkalorimeter erreicht das SPACAL eine bessere Energieauosung deckt einengroeren Winkelbereich ab und besitzt eine feinere Granularitat Das SPACAL gliedertsich zudem in eine elektromagnetische und in eine hadronische Sektion Der erste naheran der Wechelwirkungszone liegende Detektorteil soll den Ort und die Energie von Elektronen unter kleinem Streuwinkel messen Der direkt daran anschlieende hadronischeTeil hat die Aufgabe den bei diesen Streuprozessen ruckwarts gestreuten hadronischenAnteil zu messen

    Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine Kalibration beider Detektorsektionen mit Protonstrahl Halo Myonen mit besonderer Gewichtung der aueren Regionen

    Im Rahmen dieser Arbeit soll zunachst ein Uberblick uber die physikalischen Grundlagen der HERAPhysik und der Kalorimetrie mit einer anschlieenden Beschreibung desSPACAL gegeben werden Nachdem die verschiedenen Kalibrationsmethoden vorgestelltwurden soll in Kapitel ausfuhrlich auf die Kalibration der elektromagnetischen undder hadronischen Sektion des SPACAL mit Protonstrahl Halo Myonen eingegangen werden Abschlieend wird in Kapitel eine Zeitkalibration der elektromagnetischen Sektionvorgestellt

  • Physikalische Grundlagen

    Um der groen Bedeutung der ruckwartigen Region des HDetektors gerecht zu werden soll an dieser Stelle zunachst die spezielle Physik erlautert werden die mit dieserDetektorsektion erforscht werden kann Daran anschlieend werden die Grundlagen derKalorimetrie diskutiert um einen Einblick zu geben auf welche Weise die genanntenphysikalischen Herausforderungen erfullt werden konnen

    Tiefinelastische Streuung

    Bei den Experimenten zur tiefinelastischen ElektronProtonStreuung von FriedmanKendall und Taylor Blo und Bre am Stanford Linear Accelerator Center SLACergaben sich erste Hinweise auf die Existenz punktformiger Konstituenten im Nukleon diePartonen genannt wurden Diese Partonen wurden spater als Quarks identiziert In dertiefinelastischen ElektronProtonStreuung wechselwirken die Elektronen uber ein virtuelles Eichboson mit den Quarks im Proton Je nach Art des ausgetauschten Eichbosonsspricht man von neutralen oder geladenen Stromen Im ersten Fall sind bei der Wechselwirkung ein oder Z im zweiten Fall ein W oder ein W beteiligt Im folgendensollen zum besseren Verstandnis einige Grundlagen der Kinematik der ElektronProtonStreuung erortert werden

    Kinematik

    Der Proze der tiefinelastischen PositronProtonStreuung am HERA Speicherring latsich anschaulich anhand eines FeynmanDiagramms Abbildung in niedrigster Ordnung beschreiben Das Positron wechselwirkt dabei unter Aussendung eines Eichbosonsmit einem Quark im Proton Dabei lost sich die Protonstruktur auf Das vom virtuellen Photon getroene Quark hadronisiert sich in Form eines Jets und kann im Detektornachgewiesen werden wahrend der Protonrest leicht gestreut im allgemeinen im Protonstrahlrohr fur eine Messung verloren geht Die Kinematik dieser Wechselwirkungen wird

  • Abbildung Anschauliche Darstellung der tiefinelastischen ElektronProtonStreuung

    mathematisch im allgemeinen im vierdimensionalen MinkowskiRaum beschrieben Diekinematischen Variablen werden folgendermaen bezeichnet Sch

    k k Viererimpulse des ein und auslaufenden PositronsP Viererimpuls des einlaufenden ProtonsQ q Viererimpulsubertrag des virtuellen EichbosonsE E Laborenergien des ein und auslaufenden Positronse Streuwinkel des Positrons im H KoordinatensystemM m ProtonMasse und PositronMasseps Gesamtenergie im PositronProtonSchwerpunktsystem

    P qM

    E E Energieverlust des Positrons im Ruhesystem des Protons

    Das Quadrat des Viererimpulsubertrags berechnet sich im Laborsystem zu

    q Q k k EEsin

    J D Bjorken Bjo stellte die Hypothese auf da die Strukturfunktionen des Protonsbei groen Q und Werten nicht mehr von diesen abhangt sondern nur noch von einerdimensionslosen Groe

    x Q

    P q mit x

    Dieses experimentell bestatigte Verhalten nennt man Skaleninvarianz Im QuarkPartonmodell deutet man die Groe xBjorken als den relativen Impulsanteils des an der Wechsel

  • wirkung beteiligten Partons im Nukleon Desweiteren fuhrt man die Groe

    y P qP k

    EeEe

    sin mit y

    ein welche den Energieubertrag des virtuellen Photons normiert auf die Schwerpunktsenergie des Positrons und Protons beschreibt Um die Kinematik der tiefinelastischenStreuung zu beschreiben werden im allgemeinen die Lorentzinvarianten x undQ gewahltDa die Skalenvariable xBjorken experimentell nicht direkt gemessen werden kann mu sieaus Ee und Ee und dem Streuwinkel e im Laborsystem mittels

    x Q

    s y

    errechnet werden Die Groen y und Q erhalt man dann aus den Gleichungen und

    Abbildung D