Low-energetic Hadron Interactions in a Highly Granular ...bib- · PDF file Kalorimeter und...

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  • Low-energetic Hadron Interactions in a

    Highly Granular Calorimeter

    Dissertation

    zur Erlangung des Doktorgrades

    des Department Physik

    der Universität Hamburg

    vorgelegt von

    Nils Feege

    aus Haselünne

    Hamburg

    2011

  • Gutachter/in der Dissertation: Prof. Dr. Erika Garutti Prof. Dr. Dieter Horns

    Gutachter/in der Disputation: Prof. Dr. Erika Garutti Prof. Dr. Peter Schleper

    Datum der Disputation: 11. Januar 2012

    Vorsitzender des Prüfungsausschusses: Prof. Dr. Günter Huber

    Vorsitzender des Promotionsausschusses: Prof. Dr. Peter Hauschildt

    Leiterin des Department Physik: Prof. Dr. Daniela Pfannkuche

    Dekan der MIN Fakultät: Prof. Dr. Heinrich Graener

  • Abstract

    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 separa- tion 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 1m3 scintillator-steel sam- pling 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 pho- tomultipliers (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 1GeV to 30GeV and is the first analysis of AHCAL data at energies below 8GeV. Because the purity of the recorded data is not sufficient for analysis, event selection pro- cedures 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 op- erating 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 unsta- ble cells in the AHCAL, which affect the detector performance especially at low particle energies, are introduced. The analysis of low-energetic electron data (1GeV to 20GeV) 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 (2GeV to 30GeV) 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.

  • Zusammenfassung

    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 benö- tigt 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 die- ser Dissertation liegt auf dem Prototypen für ein Hadronkalorimeter mit analoger Auslese (AHCAL), bei dem es sich um ein 1m3 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 aufge- zeichnet wurden. Die Analyse erstreckt sich über Energien von 1GeV bis 30GeV und ist die erste Analyse von AHCAL-Daten unterhalb von 8GeV. Da die Reinheit der aufgezeich- neten 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 benö- tigt, 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 ins- besondere bei niedrigen Energien beeinflussen. Das Ziel der in dieser Arbeit vorgestellten Analyse niederenergetischer Elektrondaten (1GeV bis 20GeV) 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 (2GeV bis 30GeV) und verschiedenen Modellen präsen- tiert, die in der Geant4 Simulationssoftware implementiert sind. Diese Vergleiche erlau- ben 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 topolo- gische Schauereigenschaften auszudehnen.

  • CONTENTS V

    Contents

    Prelude 1

    1 Calorimetry in High-energy Physics 5

    1.1 Particle Interactions with Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.1 Electrons and Photons: Electromagnetic Cascades . . . . . . . . . . 5 1.1.2 Muons and Charged Hadrons: Electromagnetic Processes . . . . . . 7 1.1.3 Hadrons: Strong Processes and Cascades . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1.4 Čerenkov Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

    1.2 Detection of Stable Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.1 Calorimeter Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.2 Energy Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    1.3 Particle Flow Calorimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    2 CALICE Detectors 15

    2.1 Data Acquisition System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2 The Silicon-tungsten Electromagnetic Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3 Components of Calorimeters with SiPM Readout . . . . . . . . . . . . . . 17

    2.3.1 Silicon Photomultiplier Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2 Very Front End Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3.3 Calibration and Monitoring System . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    2.4 The Scintillator Electromagnetic Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.5 The Tail Catcher and Muon Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.6 The Analog Hadron Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.7 Calibration Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.8 Imaging Calorimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

    3 The CALICE Experiment at Fermilab 27

    3.1 The Fermilab Test-beam Facility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.2 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3 The Differential Čerenkov Detector at the FTBF . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.4 AHCAL Commissioning and Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

  • VI CONTENTS

    4 Calibration Studies 43

    4.1 Cell Response Equalization with Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2 Muon Calibration Portability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .