Neues Kalorimeter-Design für EIC getestet

Wissenschaftler arbeiten an einem neuen Tool, um Materie am Electron-Ion Collider (EIC) zu studieren, der gebaut wird, um die Struktur von Atomkernen zu erkunden. Dieses Tool ist eine spezielle Art von Detektor, genannt Kalorimeter, das hilft, die Energie von Teilchen zu messen. Das Ziel ist, ein tieferes Verständnis dafür zu gewinnen, wie Teilchen interagieren und sich auf sehr kleinen Skalen verhalten.

#Was ist ein Kalorimeter?

Ein Kalorimeter ist ein Gerät, das die Energie von Teilchen misst, wie Positronen. Positronen sind die Antiteilchen von Elektronen. Wenn ein Positron auf Materie trifft, kann es Energie erzeugen, die ein Kalorimeter erkennen kann. Diese Energie hilft Forschern, mehr über die Eigenschaften der Materie zu erfahren.

#Das neue Design

Der neue Kalorimeter-Einsatz namens CALI nutzt kleine Kunststofffliesen, die Licht erkennen können. Wenn Teilchen diese Fliesen treffen, erzeugen sie Lichtsignale. Das Licht wird dann von Sensoren, genannt SiPMs (Silicon Photomultipliers), gelesen. Dieser Aufbau ermöglicht es, viele Informationen über Teilchenereignisse am Collider zu erfassen.

Eine der besonderen Eigenschaften von CALI ist, dass die Auslesechips von den Fliesen entfernt platziert werden. Dieses Design reduziert den Kühlungsbedarf und ermöglicht eine bessere Raumausnutzung im Detektor. Ausserdem verwendet das Design 3D-gedruckte Rahmen, die helfen, unerwünschte Lichtstörungen zwischen den Fliesen zu minimieren.

#Testen des Prototyps

Um diese neue Technologie zu testen, haben Forscher einen kleinen Prototyp mit 40 Kanälen gebaut und ihn mit einem 4 GeV Positronenstrahl im Jefferson Laboratory getestet. Sie haben die Energie und Formen von Teilchenbündeln gemessen, die entstehen, wenn die Positronen mit dem Detektor interagieren. Die Testergebnisse stimmten gut mit Computersimulationen überein, was darauf hindeutet, dass das Design effektiv ist.

#Zweck des EIC

Der EIC hat das Ziel, die Struktur und Dynamik von Atomkernen unter verschiedenen Bedingungen zu verstehen. Dazu wird ein grosser zentraler Detektor, genannt ePIC, entwickelt. Dieser Detektor wird einen breiten Akzeptanzbereich haben, um die Daten vom Collider richtig zu erfassen. Der EIC hat jedoch einen einzigartigen Strahlüberlappungswinkel, was Herausforderungen bei der Gestaltung des Detektors mit sich bringt.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, wurde CALI speziell entwickelt, um diese komplexe Geometrie abzudecken und gleichzeitig Teilchen genau messen zu können. Sein Design umfasst unterschiedlich geformte Schichten, die die Energie von einfallenden Teilchen effektiv verarbeiten.

#SiPM-on-Tile-Technologie

CALI nutzt SiPM-on-Tile-Technologie. Dieser Ansatz hat bei der Teilchendetektion aufgrund seiner Flexibilität, Kosteneffektivität und Genauigkeit an Popularität gewonnen. Eine ähnliche Methode wurde erfolgreich in vergangenen Experimenten am Large Hadron Collider (LHC) umgesetzt, was ihr Potenzial unterstreicht.

Im Gegensatz zu früheren Designs hält CALI die Auslesechips von den SiPMs entfernt, um Platz zu sparen und die Kühlung zu verbessern. Das bedeutet, dass die Sensoren die Signale über eine Art von geschirmtem Kabel lesen, das entlang der Rückseite des Kalorimeters verläuft. Während dieser Aufbau bei der Kühlung hilft, könnte er einige Herausforderungen bei der Signalqualität mit sich bringen.

#Bau des Prototyps

Der CALI-Prototyp besteht aus Schichten, die mit Kunststoffszintillator-Fliesen hergestellt wurden. Das Team hat eine Mischung aus quadratischen und hexagonalen Fliesen in ihrem Design verwendet, um verschiedene Konfigurationen zu testen. Jede Fliese wird in sorgfältig gestalteten Rahmen platziert, um sie an Ort und Stelle zu halten und Lichtstörungen zu reduzieren.

Jede Schicht des Prototyps wird zwischen metallischen Absorbern platziert, die helfen, unerwünschte Teilchen vom Stören der Signale, die der Detektor liest, abzuhalten. Die gesamte Baugruppe wurde in eine dunkle Box eingebaut, um zu verhindern, dass äusseres Licht die Ergebnisse beeinflusst.

#Der Testprozess

Die Tests fanden im Januar 2023 mit Positronen aus einer speziellen Anlage statt. Das Setup musste die Energie des Positronenstrahls schätzen, da das System keine direkte Tracking-Fähigkeit hatte. Das Team verwendete eine spezielle Einheit, um Signale vom Detektor zu lesen und Messungen basierend auf festgelegten Bedingungen auszulösen.

Während der Tests sammelten sie eine beträchtliche Anzahl von Ereignissen, die wertvolle Daten für die Analyse lieferten. Sie führten zusätzliche Kalibrierungstests mit kosmischen Strahlen durch, um sicherzustellen, dass die Signale vom Detektor genau waren.

#Datenanalyse

Die Analyse der Daten begann mit dem Verständnis des grundlegenden Verhaltens des Detektors ohne einfallenden Strahl, bekannt als die Basisläufe. Die Forscher sammelten Daten in Abwesenheit eines Positronenstrahls, um die Basislinensignalpegel zu finden.

Kosmische Strahlen boten auch eine Möglichkeit zur Kalibrierung. Indem sie den Prototyp so anordneten, dass er kosmischen Strahlen ausgesetzt war, konnten sie genügend Informationen sammeln, um die vom Detektor erfassten Signale zu kalibrieren.

Nachdem die Kalibrierung abgeschlossen war, konzentrierte sich das Team darauf, ihre experimentellen Daten mit den Simulationen zu vergleichen. Sie notierten alle Abweichungen zwischen den beiden und arbeiteten daran, ihr Verständnis dafür zu verfeinern, wie der Detektor auf einfallende Teilchen reagierte.

#Ergebnisse

Die Ergebnisse der Tests zeigten eine vielversprechende Übereinstimmung zwischen den gemessenen Daten und den Computersimulationen. Die Anzahl der erfassten Treffer sowie die Energieverteilung stimmten gut mit den Erwartungen überein. Das deutete darauf hin, dass das Design wie beabsichtigt funktionierte.

Es wurden jedoch einige Unterschiede in den Energieauslesewerten zwischen den experimentellen Ergebnissen und den Simulationen festgestellt. Trotz dieser Abweichungen bestätigten die Gesamtergebnisse, dass das CALI-Design eine praktikable Option für EIC-Detektoren ist.

#Schlussfolgerungen

Die Studie des CALI-Prototyps zeigte, dass die Verwendung von SiPM-on-Tile-Technologie effektiv in Hochenergiephysik-Experimenten eingesetzt werden kann. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es möglich ist, die Grösse und die Kühlanforderungen zukünftiger Detektoren zu reduzieren.

Die Erkenntnisse aus diesem Prototyp könnten helfen, das Design anderer Detektorkomponenten für den EIC zu leiten, die entscheidend sind, um unser Wissen über die Teilchenphysik voranzutreiben. Dies könnte zu neuen Erkenntnissen über die grundlegenden Bausteine der Materie und die Kräfte führen, die ihre Interaktionen steuern.

Die Forscher drückten ihre Dankbarkeit für die Unterstützung und das Feedback aus, das sie während des Projekts erhalten hatten. Sie erkannten den gemeinschaftlichen Aufwand an, der erforderlich ist, um in diesem komplexen Studienfeld Fortschritte zu machen.

Zusammenfassend lieferte das Prototyp-Testing wichtige Aspekte des CALI-Designs und bot eine Grundlage für zukünftige Fortschritte in der Detektortechnologie und der Teilchenphysikforschung.