Design optimization of the ¯PANDA Micro-Vertex-Detector for high performance spectroscopy in the charm quark sector

Abstract

The ¯PANDA experiment is one of the key projects at the future FAIR facility, which is currently under construction at GSI Darmstadt. Measurements will be performed with antiprotons using a fixed-target setup. The main scope of ¯PANDA is the study of the strong interaction in the charm quark sector. Therefore, high precision spectroscopy of hadronic systems in this energy domain is a prerequisite. The Micro-Vertex-Detector (MVD) as innermost part of the tracking system plays an important role to achieve this goal.<br /> At present, the ¯PANDA project has exceeded the initial phase of conceptual design studies. Based on these results, an optimization of the individual detector subsystems, and thus also for the MVD, is necessary to continue the overall detector development towards its commissioning. Therefore, a comprehensive and realistic detector model must be developed, which on the one hand fulfils the physics requirements but on the other hand also includes feasible engineering solutions. This task is the main scope of the present work. The outcome of these studies will deliver important contributions to the technical design report for the ¯PANDA MVD, which is the next step towards the final detector assembly.<br /> In the first part of this work, main physics aspects of the charm spectroscopy are highlighted and a complete review of the experimental status in this field is given. Afterwards, all relevant details of the ¯PANDA experiment are summarized. The conceptual design and associated hardware developments for the MVD are discussed separately in the following chapters. They deliver basic input for the performed detector optimization, which is presented in the central part. Furthermore, this section describes the development of a comprehensive detector model for the MVD and its introduction into the physics simulation framework of ¯PANDA. The final part contains a compilation of extended simulations with the developed detector model. This includes the determination of basic detector parameters as well as the full simulation of physics channels. Obtained results demonstrate the compliance with all given requirements that warrant the desired physics performance.

Das ¯PANDA-Experiment ist eines der Hauptprojekte an der zukünftigen Beschleunigeranlage FAIR, die sich zurzeit an der GSI in Darmstadt im Aufbau befindet. Für die später dort durchgeführten Experimente werden Antiprotonen zum Einsatz kommen, die auf ein festes Target geführt werden. Hauptziel dieser Messungen wird die Untersuchung der starken Wechselwirkung im Charm-Quark-Sektor sein. In diesem Zusammenhang ist eine hochpräzise Spektroskopie hadronischer Systeme im entsprechenden Energiebereich unabdingbar. Der Mikro-Vertex-Detektor (MVD) als innerster Teil des Spurerkennungssystems spielt dabei eine wesentliche Rolle.<br /> Das ¯PANDA-Projekt hat die Anfangsphase rein konzeptioneller Studien bereits hinter sich gelassen. Basierend auf diesen Ergebnissen ist eine Optimierung der einzelnen Detektorsysteme einschließlich des MVDs erforderlich, um die Umsetzung des Vorhabens bis hin zu seiner Inbetriebnahme voranzutreiben. Um dies zu erreichen muss ein möglichst realistisches und umfangreiches Modell erarbeitet werden, welches sowohl den physikalischen Anforderungen genügt, als auch die ingenieurstechnische Umsetzung erlaubt. Diese Aufgabe steht im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit. Wesentliche Teile der präsentierten Studien werden dabei Einklang in den zu erstellenden technischen Abschlussbericht für den ¯PANDA-MVD finden. Dieser Bericht ist der nächste Schritt auf dem Weg zum endgültigen Aufbau des Detektors.<br /> Der erste Teil der Arbeit befasst sich zunächst mit den wesentlichen physikalischen Aspekten der Spektroskopie Charm-behafteter Systeme. Außerdem wird ein kompletter Überblick über den derzeitigen experimentellen Stand auf diesem Gebiet gegeben. Anschließend werden alle wichtigen Informationen zum ¯PANDA-Experiment zusammengefasst. In den darauf folgenden Kapiteln werden die Grundkonzeption und zugehörige Hardware-Entwicklungen für den MVD vorgestellt. Diese liefern die wesentlichen Vorgaben für die durchgeführte Detektoroptimierung, welche im Hauptteil der Arbeit präsentiert wird. Darin wird auch die Ausarbeitung des detaillierten MVD-Modells bis hin zu seiner Implementierung in die Simulations-Software des ¯PANDA-Experiments beschrieben. Im letzten Teil werden die Ergebnisse ausführlicher Simulationen zusammengefasst, die mit dem entwickelten Detektormodell durchgeführt worden sind. Diese beziehen sich sowohl auf Basisparameter des Detektors als auch auf die vollständige Simulation physikalischer Kanäle. Die erzielten Resultate bestätigen die Einhaltung aller Vorgaben, die für das gewünschte Detektorverhalten zur Erfüllung des physikalischen Kernprogramms notwendig sind.