The time development of hadronic showers and the T3B experiment

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.