Entwicklung eines neuen Cluster-Finders für das Crystal-Barrel-Kalorimeter

Abstract

Mit der experimentellen Untersuchung des Anregungsspektrums von Hadronen können Vorhersagen von Quarkmodellen sowie von Gitter-QCD-Rechnungen getestet und damit ein tieferes Verständnis der zugrundeliegenden starken Wechselwirkung erlangt werden. Eine Herausforderung in der Hadronenspektrosopie sind die, aufgrund der kurzen Lebensdauer, überlappenden Anregungszustände. Hier kann die Messung von (Doppel-) Polarisationsobservablen in der Photoproduktion von Mesonen einen wichtigen Beitrag liefern, weil diese Observablen auf Interferenzterme sensitiv sind. Damit können auch Beiträge von Resonanzen kleiner Amplitude sichtbar gemacht und deren Eigenschaften wie Quantenzahlen bestimmt werden. <br /> Der Schwerpunkt des Messprogramms am CBELSA/TAPS-Experiment lag in der Vergangenheit auf der Photoproduktion neutraler Mesonen am Proton. Die Datenbasis von Reaktionen am Neutron ist im Vergleich dazu geringer. Neutrondaten sind notwendig, um ein vollständigeres Bild des Nukleonen-Anregungsspektrums zu erhalten. Die Nachweiseffizienz des Experiments war dafür jedoch nicht optimal, weil der Crystal-Barrel-Detektor die erste Trigger-Stufe nicht auslösen konnte. <br /> Ein Umbau auf eine APD-basierte Ausleseelektronik und der Aufbau eines separaten Zeit-Signalpfads ermöglichten das Einbinden in die erste Stufe. Für den neuen Zeitzweig wurden FPGA-basierte Diskriminatormodule entwickelt. Dies war der Ausgangspunkt für die vorliegende Arbeit. <br /> Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die zuvor genutzte Elektronik zum Zählen der Cluster im Crystal-Barrel ersetzt. Dafür wurde eine Firmware für das Diskriminator-Modul entwickelt. Diese kompensiert zunächst die Anstiegszeit der analogen Detektorsignale. In Kombination mit einer Kalibrierung der Diskriminatorschwellen wird dadurch die Zeitauflösung des generierten Trigger-Signals verbessert. Ein integrierter TDC zeichnet Zeitstempel von Ereignissen auf und stellt diese, zuvor nicht vorhandene, Information der Analyse zur Verfügung. Zentrale Komponente ist der neue Cluster-Finder, welcher die Anzahl der registrierten Cluster im Detektor zählt und diese dem Trigger zur Verfügung stellt. Die Elektronik wurde getestet und in Betrieb genommen. <br /> Die modulare Entwicklung aus der vorliegenden Arbeit hat es einerseits erlaubt, die Firmware im Rahmen weiterer Abschlussarbeiten zu erweitern. Zusätzlich wurde ein Teil der Module in die FPGA-Elektronik anderer Detektoren integriert. Neben der verbesserten Nachweiseffizienz wurde durch den Umbau auch die Performanz des Triggers verbessert. Mit dem neuen Aufbau wurden bereits erste Messungen am Neutron und weitere Messungen am Proton durchgeführt. Die Daten am Neutron haben bereits zu einer ersten Veröffentlichung geführt.