Das Elektromagnetische Kalorimeter des P̄ANDA-Detektors

Abstract

Im Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt die Quantenchromodynamik (QCD) die Interaktion von Quarks und Gluonen. Die starke Wechselwirkung erzeugt eine Fülle an Bindungszuständen, die Hadronen. Die meisten der bisher bekannten Hadronen lassen sich dabei als Bindungszustand von drei Quarks oder einem Quark und einem Antiquark beschreiben. In den letzten Jahren wurden aber auch einige Zustände wie das Χ_c1(3872) oder das Z(3900)^± entdeckt, die nicht in dieses einfache Bild passen. <br/> Das <span STYLE="text-decoration:overline">P</span>anda-Experiment wird durch die Vermessung von Antiproton-Proton-Kollisionen bei einem Impuls von bis zu 15 GeV/c dazu beitragen, das Verständnis der Bindungszustände der starken Wechselwirkung und damit der QCD im nicht-pertubativen Bereich entscheidend zu verbessern. Die in der Annihilation entstehenden Reaktionsprodukte sollen dabei mit einem anspruchsvollen Detektorsystem vermessen werden. Das Detektorsystem ist aus spezialisierten Subdetektoren aufgebaut, die verschiedene Aufgaben übernehmen. Die Bestimmung der Energie von Elektronen sowie der Energie und Richtung von Photonen erfolgt mit elektromagnetischen Kalorimetern. <br/> Das im Targetspektrometer des Experiments befindliche Kalorimeter wird aus etwa 15500 Bleiwolframatkristallen bestehen. Das Szintillationslicht der Kristalle wird von APDs und VPTTs in elektrische Signale umgesetzt. Diese werden von SADCs digitalisiert. <br/> Im Rahmen dieser Arbeit wurden Messungen mit zwei Prototypen für das Kalorimeter ausgewertet. Mit einem Photonenstrahl wurde die Energieauflösung für Energien bis 1440 MeV bestimmt. Dabei wurde eine Auflösung von 2,5 % bei einer Energie von 1 GeV erreicht. Zusätzlich wurde die Simulation des Kalorimeters erweitert, um die Positionsabhängigkeit der Lichtausbeute im Kristall zu berücksichtigen. Diese wurde als wichtiger Beitrag zur Energieauflösung identifiziert. In Messungen mit einem Elektronstrahl wurde zudem die Ortsauflösung bei Energien von 5 GeV bis 15 GeV untersucht. Die erreichte Auflösung lag zwischen 0,9 mm bei hohen Energien und 2,2 mm bei niedrigen Energien. Diese und andere Testmessungen haben gezeigt, dass ein Kalorimeter aus Bleiwolframatkristallen für das Kalorimeter des <span STYLE="text-decoration:overline">P</span>anda-Experiments geeignet ist. <br/> Bei allen Messungen hat sich gezeigt, dass es sehr wichtig ist, die Detektoren genau zu positionieren und die Abweichungen von der gewünschten Position genau zu bestimmen. Darauf muss daher auch beim Aufbau der Kalorimetermodule und deren Einbau in den Detektor besonders geachtet werden. <br/> In einer Simulation des Zerfalls Z(3900)⁰→J/Ψ π⁰→μ⁺ μ^- γ γ wurde das gesamte Detektorsystem zur Messung von neutralen und und geladenen Teilchen betrachtet und eine Abschätzung der benötigten Messdauer durchgeführt. Die Reaktion <span STYLE="text-decoration:overline">p</span> p→π⁺ π⁰ π^- wurde als größter Untergrundbeitrag identifiziert. Anhand dieses Beispiels wurde gezeigt, dass <span STYLE="text-decoration:overline">P</span>anda in der Lage sein wird, entscheidend zur Spektroskopie auch von exotischen Zuständen beizutragen.