German Title: Der Mu3e Tile Detektor

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Abstract

The Mu3e experiment is designed to search for the lepton flavour violating decay μ→eee with a sensitivity of one in 10^16 decays. An observation of such a decay would be a clear sign of physics beyond the Standard Model. Achieving the targeted sensitivity requires a high precision detector with excellent momentum, vertex and time resolution. The Mu3e Tile Detector is a highly granular sub-detector system based on scintillator tiles with Silicon Photomultiplier (SiPM) readout, and aims at measuring the timing of the muon decay products with a resolution of better than 100 ps. This thesis describes the development of the Tile Detector concept and demonstrates the feasibility of the elaborated design. In this context, a comprehensive simulation framework has been developed, in order to study and optimise the detector performance. The central component of this framework is a detailed simulation of the SiPM response. The simulation model has been validated in several measurements and shows good agreement with the data. Furthermore, a 16-channel prototype of a Tile Detector module has been constructed and operated in an electron beam. In the beam tests, a time resolution up to 56 ps has been achieved, which surpasses the design goal. The simulation and measurement results demonstrate the feasibility of the developed Tile Detector design and show that the required detector performance can be achieved.

Translation of abstract (German)

Das Ziel des Mu3e Experiment ist es nach dem leptonzahlverletzenden Zerfall μ→eee mit einer Sensitivität von Eins zu 10^16 zu suchen. Der Nachweis eines solchen Zerfalls wäre ein klares Indiz für Physik jenseits des Standardmodells. Um die angestrebte Sensitivität zu erreicht, wird ein hochpräziser Detektor mit exzellenter Impuls-, Vertex- und Zeitauflösung benötigt. Ein Hauptbestandteil des Experiments ist der Mu3e Tile Detektor, der darauf ausgelegt die Ankunftszeit der Myon-Zerfallsprodukte mit einer Genauigkeit von unter 100 ps zu messen. Der Tile Detektor ist ein fein segmentiertes Hodoskop, besteht aus Szintillatorkacheln die mit Silizium-Photomultipliern (SiPMs) ausgelesen werden. In dieser Arbeit wurde das Konzept des Tile Detektors entwickelt und getestet. Hierfür wurden umfangreiche Simulationsstudien durchgeführt, um das Ansprechverhalten des Detektors zu studieren und zu optimieren. Ein zentraler Bestandteil der Simulation ist die Modellierung des Ansprechverhaltens der SiPMs. Die Simulation wurde in mehreren Messungen überprüft und zeigt eine gute Übereinstimmung mit den Messdaten. Des Weiteren wurde ein Prototyp einer Detektoreinheit mit 16 Kanälen aufgebaut und dessen Ansprechverhalten mit Hilfe eines Elektronenstrahls gemessen. In den Teststrahlmessungen wurde eine Zeitauflösung von bis zu 56 ps erreicht. Die durchgeführten Messungen und Simulationsstudien zeigen, dass das entwickelte Detektorkonzept den Anforderungen im Mu3e Experiment genügt und dass die angestrebte Genauigkeit erreicht werden kann.