Adrian Vogel, Dissertation, Department Physik der Universität Hamburg, 2008 :

"Strahlinduzierter Untergrund in Detektoren am ILC"


"Beam-Induced Backgrounds in Detectors at the ILC"



Schlagwörter: International Linear Collider, ILC; Beam-Induced Backgrounds, Beamstrahlung Pairs; Large Detector Concept, LDC, ILD; Vertex Detector, VTX, Time Projection Chamber, TPC; Guinea-Pig, Geant4, Mokka
PACS : 29.20.Ej, 29.40.Gx, 41.60.-m
Volltext

Summary

Kurzfassung

In der Gemeinschaft der Hochenergiephysik herrscht Einigkeit darüber, dass als nächster Teilchenbeschleuniger ein Elektron-Positron-Collider gebaut werden sollte. Eine solche Maschine, die punktförmige Teilchen mit einem wohldefinierten Ausgangszustand zur Kollision bringt, wäre eine ideale Ergänzung zum Large Hadron Collider (LHC) und würde Präzisionsmessungen der neuen physikalischen Phänomene ermöglichen, die wahrscheinlich auf der TeV-Energieskala entdeckt werden. Das in diesem Zusammenhang am weitesten fortgeschrittene Projekt ist der International Linear Collider (ILC), der in einer ersten Ausbaustufe eine Schwerpunktsenergie von 500 GeV und eine Luminosität von 2 · 1034 cm-2s-1 anstrebt.

Um die vorgesehenen Messungen des Higgs-Bosons, supersymmetrischer Teilchen und anderer möglicher Arten von Neuer Physik durchführen zu können, braucht der ILC Detektoren von bisher unerreichter Leistungsfähigkeit, wobei verschiedene Gesichtspunkte wichtig sind: die Rekonstruktion sekundärer Vertizes, die Impulsauflösung und die Jetenergieauflösung. Eines der Detektorkonzepte, die zurzeit entwickelt und untersucht werden, ist der sogenannte International Large Detector (ILD). Ein Hauptmerkmal des ILD-Konzepts ist die Verwendung einer Zeitprojektionskammer (TPC) als zentrale Spurkammer, die zum einen die notwendige Impulsauflösung erreichen kann, die zum anderen aber auch hervorragende Möglichkeiten zur Teilchenidentifizierung und zum hocheffizienten und robusten Tracking bietet.

Als Elektron-Positron-Collider wird der ILC eine sehr saubere Experimentierumgebung bieten. Die Untergrundraten werden um viele Größenordnungen geringer als bei einem Hadroncollider sein, aber dennoch deutlich höher als bei früheren Leptoncollidern: Die Strahl-Strahl-Wechselwirkung der stark fokussierten Teilchenstrahlen produziert Beamstrahlungsphotonen, die dann miteinander streuen und Elektron-Positron-Paare erzeugen können. Diese Paare sind eine Hauptquelle von Untergrund im Detektor, entweder indem sie die inneren Teile des Detektors auf direktem Wege treffen oder indem sie in den Vorwärtskalorimetern Teilchenschauer auslösen, aus denen Sekundärteilchen zurückgestreut werden können.

Diese Arbeit erläutert die Methoden, mit denen die Auswirkungen des strahlinduzierten Untergrunds aus Elektron-Positron-Paaren mit Mokka, einer Geant4-basierten vollen Detektorsimulation für den ILC, untersucht werden können, und sie stellt die Simulationsergebnisse für unterschiedliche Detektorkonfigurationen und verschiedene kleine Abwandlungen dar. Das Hauptaugenmerk der Simulationen und ihrer Auswertung liegt dabei auf dem Vertexdetektor und auf der TPC, daneben werden aber auch Ergebnisse für die inneren Siliziumspurdetektoren und für das hadronische Kalorimeter gezeigt.

Für die nominellen ILC-Strahlparameter und eine Detektorgeometrie mit einem Kreuzungswinkel von 14 mrad und einer speziellen Magnetfeldkonfiguration zeigen die Simulationen, dass der Paaruntergrund kein schwerwiegendes Problem für den Detektor darstellen wird: Die Anzahl von 400 Treffern pro Strahlkreuzung auf der innersten Lage des Vertexdetektors (oder 0,04 Treffer/mm2/BX) liegt innerhalb der zulässigen Grenzen, und die TPC-Belegungswahrscheinlichkeit von weniger als 0,1 % sollte das Tracking nicht beeinträchtigen. Der Neutronenfluss ist im Vertexdetektor und in großen Teilen des hadronischen Kalorimeters unkritisch lediglich der innerste Teil der HCAL-Endkappen könnte nach einigen Jahren Laufzeit Strahlenschäden erleiden. Im Hinblick auf das TPC-Gas erscheint eine Gasmischung mit einem Wasserstoffanteil akzeptabel, da die Neutron-Proton-Streuung, durch die kurze Rückstoßspuren in der Kammer erzeugt werden, nur einen kleinen Beitrag zum gesamten strahlinduzierten Untergrund in der TPC liefert.

Die Arbeit schließt mit einer kurzen Zusammenfassung, einem Ausblick auf derzeit laufende und geplante Studien und der Beschreibung einiger technischer Details im Bezug auf die verwendete Software.

Titel

Kurzfassung

Summary

There is general consensus in the high-energy physics community that the next particle collider to be built should be a linear electron-positron accelerator. Such a machine, colliding point-like particles with a well-defined initial state, would be an ideal complement to the Large Hadron Collider (LHC) and would allow high-precision measurements of the new physics phenomena that are likely to be discovered at the TeV energy scale. The most advanced project in that context is the International Linear Collider (ILC), aiming for a centre-of-mass energy of 500 GeV and a luminosity of 2 · 1034 cm-2s-1 in its first stage.

In order to perform the intended measurements of the Higgs boson, supersymmetric particles, and other kinds of new physics that might be realised in nature, the ILC will need detectors of unprecedented performance in different aspects: secondary vertex reconstruction, momentum resolution, and jet energy resolution. One of the detector concepts that are currently being developed and studied is the so-called International Large Detector (ILD). A prime feature of the ILD concept is the usage of a Time Projection Chamber (TPC) as the main tracker, which allows to reach the required momentum resolution, but which also has excellent particle identification capabilities and a highly robust and efficient tracking.

As an electron-positron collider, the ILC will provide a very clean experimental environment. Background rates will be orders of magnitude lower than at hadron colliders, but nevertheless significantly higher than at previous lepton colliders: the beam-beam interaction of the strongly focused particle bunches at the ILC will produce beamstrahlung photons, which can in turn scatter to electron-positron pairs. These pairs are a major source of detector backgrounds, either because they hit the inner detector components directly or because they induce showers in the forward calorimeters from which secondaries can be backscattered.

This thesis explains the methods to study the effects of beam-induced electron-positron pair backgrounds with Mokka, a full detector simulation for the ILC that is based on Geant4, and it presents the simulation results for different detector configurations and various small modifications. The main focus of the simulations and their analysis is on the vertex detector and the TPC, but results for the inner silicon trackers and the hadronic calorimeters are shown as well.

Using the nominal ILC beam parameters and a detector geometry with a crossing angle of 14 mrad and a specific configuration of the magnetic field, the simulations show that pair backgrounds will not be a severe problem for the detector: an amount of 400 hits per bunch crossing on the innermost layer of the vertex detector (or 0.04 hits/mm2/BX) is well within tolerable limits, and a TPC occupancy of less than 0.1 % should not affect the tracking capabilities. The neutron fluence in the vertex detector and in large parts of the HCAL is uncritical only the innermost regions of the HCAL endcaps may suffer from radiation damage after several years of running. Concerning the gas in the TPC, a mixture containing hydrogen seems acceptable because neutron-proton scattering producing short recoil tracks in the chamber yields only a small contribution to the total beam-induced backgrounds in the TPC.

The thesis closes with a short summary, an outlook towards currently ongoing and planned studies, and a description of several technical details concerning the applied software tools.