A General Purpose Detector Simulation for the EDDA Experiment

Abstract

T be EDDA experiment is an internal target experiment at t he Cooler Synchrotron COSY at t he Forschungszentrum Jülich. l t was designed to study proton-proton elastic scattering excitation fw1ctions ran ging from 500 MeV to 2500 MeV of laboratory kin etic energy with high relative accuracy. In the first phase of the experiment w1polarized differential cross sections were measured using CH₂ fiber targets. To simulate the EDDA experiment, a simulation software named SIGI was developed. SIGI is based on the detector simulation toolkit Gismo. This t◊ol kit had to be extended by a hadronic shower code named MICRES, especially suitable for the energy range avai lab le. Several geometrical elements were added and the tracking in certain parts of the detector was optimized. Finally, a weil known simulation problem, the touching boundary problem, was solved. The problem occurs e.g., when two detector elements in a simulation setup touch. To normalize the data taken in the first pbase of the EDDA experiment, the luminosity was measured using two luminosity monitors, t he secondary electron monitor SEM and tbe PIN diodes. Tbe PIN diodes are siücon detectors, measuring the o-electrons emüted from the target. The efficiency of the PIN diodes depends on the beam momentum. To correctly interpret the data taken with the PIN diodes, their efficiency must be determined using the simulation software. An important aspect of this application are the systematic e1Tors, which are introduced by the simulation. Referring to t he employed combination of two PIN diodes the systematic e1Tor of the simulation is less than 1.0% for the major part of t he momentum range. Only for momenta below 1455 MeV/ c t he error increases to 3.1 %. For one particular PIN diode t he systematic error is even less tban 0.6% for tbe foll momentum range. These results permit tbe use of the PIN diodes to control the proper Operation of the secondary electron monitor SEM.

Das EDDA Experiment findet an einem internen Targetplatz des Cooler Synchrotrons COSY am Forschungszentrum Jülich statt. Das Detektorkonzept erlaubt es, mit hoher relativer Genauigkeit Anregungsfunktionen der elastischen Proton-Proton-Streuung im Bereich kinetischer Laborenergien von 500 MeV bis 2500 MeV aufzunehmen. In der ersten Phase des Experiments wurden unpolari­sierte differentielle Wirkungsquerschnitte mit CH₂-Fädchentargets gemessen. Zur Simulation des EDDA-Experiments wurde das Simulationsprogramm SIGI entwickelt. SIGI basiert auf dem Simula­tionspaket Gismo. Dieses Programmpaket wurde u.a. um einen Programmteil namens MICRES zur Simulation hadronischer Schauer erweitert, der für den zur Verfügung stehenden Energiebereich besonders geeignet ist. Darüber hinaus wurden diverse geometrische Elemente hinzugefügt und das Unterprogramm zur Spurverfolgung durch bestimmte Teile des Detektors optimiert. Schließlich wurden ein bekanntes Simulationsproblem, das "Touching-Boundary-Problem", gelöst. Es tritt z.B. bei Konfigurationen auf, bei denen sich zwei Detektorelemente berühren. Um die in der ersten Phase des Experimentes gemessenen Daten zu eichen, wurde die Luminosität mit Hilfe zweier Luminositätsmonitore, dem Sekundärelektronenmonitor SEM und den PIN-Dioden, aufgenommen. Bei den PIN-Dioden handelt es sich um Halbleiterdetektoren, die die vom Target emittierten d-Elektronen messen. Die Effizienz der PIN-Dioden hängt vom Strahlimpuls ab. Um mit den PIN-Dioden gemessene Daten korrekt interpretieren zu können, muss die Effizienz mit Hilfe der Simulation bestimmt werden. Ein wichtiger Aspekt dieser Anwendung ist eine Abschätzung der systematischen Fehler der Simulation. Bezogen auf die verwendete Kombination aus zwei PIN-Dioden beträgt der systematische Fehler im überwiegenden Teil des Impulsbereichs weniger als 1,0%. Lediglich für Impulse unter 1455 MeV/c steigt der Fehler auf 3,1% an. Für eine der PIN-Dioden liegt der systematische Fehler sogar unter 0,6% im gesamten Impulsbereich. Diese Ergebnisse erlauben die Nutzung der PIN-Dioden zur Kontrolle der Messungen mit dem Sekundärelektronenmonitor SEM.