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Hadronic Imaging Calorimetry

Kaplan, Alexander

German Title: Energiebestimmung von Hadronen mit bildgebenden Kalorimetern

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Abstract

This thesis focuses on a prototype of a highly granular hadronic calorimeter at the planned International Linear Collider optimized for the Particle Flow Approach. The 5.3 nuclear interaction lengths deep sandwich calorimeter was built by the CALICE collaboration and consists of 38 active plastic scintillator layers. Steel is used as absorber material and the active layers are subdivided into small tiles. In total 7608 tiles are read out individually via embedded Silicon Photomultipliers (SiPM). The prototype is one of the first large scale applications of these novel and very promising miniature photodetectors. The work described in this thesis comprises the commissioning of the detector and the data acquisition with test beam particles over several months at CERN and Fermilab. The calibration of the calorimeter and the analysis of the recorded data is presented. A method to correct for the temperature dependent response of the SiPM has been developed and implemented. Its successful application shows that it is possible to handle the SiPM temperature dependency in a calorimeter with a large number of channels. The high-resolution 3D image data with analogue energy information are used to study properties and composition of hadron showers at a new level of detail. The spatial shower development and the detector response are analyzed. The performance of a clustering algorithm in accessing the electromagnetic component of hadron showers is studied. Simulations with several different Geant 4 models are compared to data and the results are a valuable source of information for future improvement of the models.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit befasst sich mit einem hoch-granularen Prototyp eines analogen Hadronenkalorimeters für den geplanten Internationalen Linear Collider, welches für den Particle Flow Ansatz optimiert wurde. Das 5.3 Nukleare Wechselwirkungslängen tiefe Sandwich Kalorimeter wurde von der CALICE Kollaboration gebaut und besteht aus 38 aktiven Plastikszintillatorlagen. Das Absorbermaterial ist Stahl und die aktiven Lagen sind in kleine Kacheln unterteilt. Die insgesamt 7608 Kacheln werden einzeln über eingebaute Silizium Photomultiplier (SiPM) ausgelesen. Der Prototyp ist eine der ersten Anwendungen dieses neuartigen und vielversprechenden Photodetektors in großen Stückzahlen. Die hier beschriebene Arbeit umfasst die Inbetriebnahme und Datenerfassung über mehrere Monate im Teststrahlbetrieb am CERN und am Fermilab. Die Kalibration des Kalorimeters und die Analyse der aufgenommenen Daten werden präsentiert. Eine Methode um das temperaturabhängige Ansprechverhalten der SiPM zu korrigieren wurde entwickelt und in die Datenrekonstruktion integriert. Ihre erfolgreiche Anwendung zeigt, dass es möglich ist die Temperaturabhängigkeit der SiPM in einem Kalorimeter mit einer großen Anzahl von Kanälen zu beherrschen. Die hochauflösenden 3D Aufnahmen mit analoger Energieinformation werden verwendet um die Eigenschaften von hadronischen Schauern und deren Zusammensetzung auf einem neuen Detaillierungsgrad zu untersuchen. Die räumliche Entwickling der Schauer und das Ansprechverhalten des Kalorimeters werden analysiert. Die Möglichkeit auf den elektromagnetischen Anteil von hadronischen Schauern mit einem Clustering-Algorithmus zuzugreifen wird untersucht. Simulationen mit unterschiedlichen Geant 4 Modellen werden mit Daten verglichen und sind eine wertvolle Informationsquelle für eine zukünftige Verbesserung der Modelle.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schultz-Coulon, Prof. Dr. Hans-Christian
Date of thesis defense: 1 June 2011
Date Deposited: 01 Jul 2011 08:13
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Kalorimetrie, Sampling-Kalorimeter, Pion, Stahl, Szintillator, Monte-Carlo-Simulation, Temperaturabhängigkeit, Photodetektor, Hadronkalorimete
Uncontrolled Keywords: Silizium-Photomultiplier , SiPM , Geant 4 , Particle Flow , International Linear ColliderSilicon Photomultiplier , Geant 4 , Monte Carlo Simulation , Sampling Calorimeter , Particle Flow
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