Published April 6, 2021 | Version v1
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The electromagnetic calorimeter of the P¯ANDA detector. Prototype measurements and simulations

Description

In the Standard Model of particle physics, quantum chromodynamics (QCD) describes the interaction of quarks and gluons. The strong interaction produces an abundance of bonding states, the hadrons. Most of the hadrons known so far can be described as a bonding state of three quarks or one quark and one antiquark. In recent years, however, some states such as the χc1(3872) or the Zc(3900)± have been discovered that do not fit into this simple picture. By measuring antiproton-proton collisions at a momentum of up to 15 GeV/c, the Panda experiment will help to significantly improve the understanding of the binding states of the strong interaction and thus of QCD in the non-pertubative regime. The reaction products produced in the annihilation will be measured with a sophisticated detector system. The detector system is composed of specialized subdetectors that perform different tasks. Electromagnetic calorimeters are used to determine the energy of electrons and the energy and direction of photons. The calorimeter located in the target spectrometer of the experiment will consist of about 15500 lead tungstate crystals. The scintillation light from the crystals will be converted into electrical signals by APDs and VPTTs. These are digitized by SADCs. In this work, measurements were evaluated using two prototypes for the calorimeter. A photon beam was used to determine the energy resolution for energies up to 1440 MeV. A resolution of 2.5% was achieved at an energy of 1 GeV. In addition, the simulation of the calorimeter was extended to include the position dependence of the light output in the crystal. This was identified as an important contributor to the energy resolution. In measurements with an electron beam, the spatial resolution at energies from 5 GeV to 15 GeV was also investigated. The resolution achieved ranged from 0.9 mm at high energies to 2.2 mm at low energies. These and other test measurements have shown that a lead tungstate crystal calorimeter is suitable for the Panda experiment calorimeter. In all measurements, it has been shown that it is very important to position the detectors accurately and to determine precisely the deviations from the desired position. Therefore, special attention must be paid to this when setting up the calorimeter modules and installing them in the detector. In a simulation of the decay Zc(3900)0 → J/Ψπ0 → μ+μγγ, the entire detector system for measuring neutral and and charged particles was considered and an estimate of the required measurement time was made. The p¯p → π+π0π reaction was identified as the largest background contribution. This example was used to demonstrate that Panda will be able to contribute decisively to the spectroscopy of even exotic states.

Availability note (English)

Also available from: https://hdl.handle.net/20.500.11811/9639

Abstract (German)

Im Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt die Quantenchromodynamik (QCD) die Interaktion von Quarks und Gluonen. Die starke Wechselwirkung erzeugt eine Fülle an Bindungszuständen, die Hadronen. Die meisten der bisher bekannten Hadronen lassen sich dabei als Bindungszustand von drei Quarks oder einem Quark und einem Antiquark beschreiben. In den letzten Jahren wurden aber auch einige Zustände wie das χc1(3872) oder das Zc(3900)± entdeckt, die nicht in dieses einfache Bild passen. Das Panda-Experiment wird durch die Vermessung von Antiproton-Proton-Kollisionen bei einem Impuls von bis zu 15 GeV/c dazu beitragen, das Verständnis der Bindungszustände der starken Wechselwirkung und damit der QCD im nicht-pertubativen Bereich entscheidend zu verbessern. Die in der Annihilation entstehenden Reaktionsprodukte sollen dabei mit einem anspruchsvollen Detektorsystem vermessen werden. Das Detektorsystem ist aus spezialisierten Subdetektoren aufgebaut, die verschiedene Aufgaben übernehmen. Die Bestimmung der Energie von Elektronen sowie der Energie und Richtung von Photonen erfolgt mit elektromagnetischen Kalorimetern. Das im Targetspektrometer des Experiments befindliche Kalorimeter wird aus etwa 15500 Bleiwolframatkristallen bestehen. Das Szintillationslicht der Kristalle wird von APDs und VPTTs in elektrische Signale umgesetzt. Diese werden von SADCs digitalisiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Messungen mit zwei Prototypen für das Kalorimeter ausgewertet. Mit einem Photonenstrahl wurde die Energieauflösung für Energien bis 1440 MeV bestimmt. Dabei wurde eine Auflösung von 2,5 % bei einer Energie von 1 GeV erreicht. Zusätzlich wurde die Simulation des Kalorimeters erweitert, um die Positionsabhängigkeit der Lichtausbeute im Kristall zu berücksichtigen. Diese wurde als wichtiger Beitrag zur Energieauflösung identifiziert. In Messungen mit einem Elektronstrahl wurde zudem die Ortsauflösung bei Energien von 5 GeV bis 15 GeV untersucht. Die erreichte Auflösung lag zwischen 0,9 mm bei hohen Energien und 2,2 mm bei niedrigen Energien. Diese und andere Testmessungen haben gezeigt, dass ein Kalorimeter aus Bleiwolframatkristallen für das Kalorimeter des Panda-Experiments geeignet ist. Bei allen Messungen hat sich gezeigt, dass es sehr wichtig ist, die Detektoren genau zu positionieren und die Abweichungen von der gewünschten Position genau zu bestimmen. Darauf muss daher auch beim Aufbau der Kalorimetermodule und deren Einbau in den Detektor besonders geachtet werden. In einer Simulation des Zerfalls Zc(3900)0 → J/Ψπ0 → μ+μγγ wurde das gesamte Detektorsystem zur Messung von neutralen und und geladenen Teilchen betrachtet und eine Abschätzung der benötigten Messdauer durchgeführt. Die Reaktion p¯p → π+π0π wurde als größter Untergrundbeitrag identifiziert. Anhand dieses Beispiels wurde gezeigt, dass Panda in der Lage sein wird, entscheidend zur Spektroskopie auch von exotischen Zuständen beizutragen.

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Original title (German)
Das Elektromagnetische Kalorimeter des P¯ANDA-Detektors. Prototypmessungen und Simulationen

Publishing Information

Imprint Pagination
173 p.
Report number
INIS-DE--3977