Design, Aufbau und Test einer neuen Ausleseelektronik für das Crystal-Barrel-Kalorimeter

Abstract

Die Baryonspektroskopie stellt eine gute Möglichkeit dar, Vorhersagen von Quarkmodellen und modernen Gitter-QCD-Rechnungen zu prüfen und so die Quantenchromodynamik (QCD) im nicht pertubativ lösbaren Energiebereich zu testen. Die Photoproduktion von Mesonen an Nukleonen bietet gegenüber der Streuung von Pionen am Nukleon den Vorteil, dass beide Teilchen im Eingangszustand polarisiert werden können. So ergibt sich eine größere Anzahl von Polarisationsobservablen, in denen die einzelnen Anregungszustände des Nukleons unterschiedlich interferieren, sodass es besser möglich ist, die energetisch überlappenden Anregungszustände zu trennen. Weiterhin könnten durch den Prozess der Photoproduktion auch Resonanzen erzeugt werden, die in der Pionstreuung nicht angeregt oder gefunden wurden. Dies ist relevant, da es zu einigen in Quarkmodellen und auch in Gitter-QCD-Rechnungen vorhergesagten Zuständen bisher keinen experimentellen Nachweis gibt.<br /> In dieser Arbeit werden die theoretischen Grundlagen der Photoproduktion von Mesonen am Nukleon beschrieben und gezeigt, warum existierende Messdaten der Photoproduktion am Proton durch Messdaten am Neutron ergänzt werden müssen, um ein vollständiges Bild des Nukleonspektrums erhalten zu können. Anschließend wird das CBELSA/TAPS-Experiment im Detail vorgestellt, an welchem bereits viele Doppelpolarisationsobservablen in der Photoproduktion von Mesonen am Proton gemessen wurden. Für das Experiment sind verschiedene Erweiterungen geplant, die kurz vorgestellt werden. Der in dieser Arbeit vorbereitete Umbau des Crystal-Barrel-Kalorimeters wird eingeführt, und die Randbedingungen, die sich aus den anderen Erweiterungen des Experiments ergeben werden diskutiert. Aktuell ist das Hauptkalorimeter, das Crystal-Barrel-Kalorimeter, in der zweiten Triggerstufe eingebunden, was eine schlechte Detektionseffizienz von vollständig neutralen Endzuständen verursacht, wie sie bei Messungen am Neutron auftreten (z. B. γn → nπ⁰ → nγγ). Um Messungen am Neutron durchführen zu können, muss die Ausleseelektronik des Crystal-Barrel-Kalorimeters erneuert werden. Diese muss ein schnelles Triggersignal zur Verfügung stellen können, damit das Crystal-Barrel-Kalorimeter in die erste Triggerstufe des Experiments eingebunden werden kann.<br /> Zur Einbindung in die erste Triggerstufe ist eine Erweiterung der Signalverarbeitung nötig. Diese ist insbesondere ein optimierter Signalfilter zur Erzeugung schneller Zeitsignale, ein Diskriminator und ein neuer Clusterfinder, der schnell genug arbeitet, um in die erste Triggerstufe eingebunden werden zu können. Für diesen wird ein Konzept vorgeschlagen und zugehörige Simulationsergebnisse werden vorgestellt.<br /> Um die Elektronik f ür den Umbau des Kalorimeters zu qualifizieren, wurden eine 3×3-Matrix aus Testdetektoren aufgebaut und verschiedene Messungen am energiemarkierten Photonenstrahl durchgeführt. Die Ergebnisse aus diesen Testmessungen für Energie- und Zeitauflösung im Energiebereich von 10 MeV bis 3 GeV werden vorgestellt. In Simulationen wurden verschiedene Einflüsse auf die Energieauflösung untersucht. Die Simulationsergebnisse werden mit den gemessenen Daten verglichen. In Zukunft wird der Elektronenbeschleuniger ELSA höhere Strahlströme für das CBELSA/TAPS-Experiment liefern können, daher wurde auch die Ratenabhängigkeit der neuen Ausleseelektronik getestet.