Tracking von Niedrigmomentum-Teilchen mit GridPix-Detektor

Hochpräzise Experimente, die Teilchen wie Myonen und Pionen untersuchen, brauchen Möglichkeiten, Geladene Teilchen mit grosser Genauigkeit zu verfolgen. Eine effektive Methode ist die Verwendung einer Zeitprojektionkammer (TPC), die mit sehr leichten Gasen gefüllt ist. So bleibt das Gesamtgewicht des Detektors niedrig, während eine hohe Auflösung erhalten bleibt. In diesem Artikel besprechen wir, wie der GridPix-Detektor funktioniert, wenn er mit Helium-Isobutan-Gemischen in einem TPC-Setup kombiniert wird.

#Die Herausforderung, geladene Teilchen zu verfolgen

Bei sehr niederimpulsigen Teilchen, wie sie bei Experimenten mit Myonen erzeugt werden, ist es wichtig, präzise Daten über ihre Pfade zu sammeln. Denn ihre Trajektorien können leicht durch ihre Wechselwirkungen mit dem Detektormaterial beeinflusst werden. Um diese Präzision zu erreichen, brauchen die Experimente Detektoren mit niedrigem Materialaufwand, die dennoch eine hohe Auflösung bieten.

Ein Beispiel ist die vorgeschlagene Suche nach dem elektrischen Dipolmoment (EDM) von Myonen, bei der Wissenschaftler 28 MeV/c Myonen in einem starken Magnetfeld verfolgen wollen. Für solche Experimente ist es wichtig, eine gut gestaltete TPC zu haben, die leichte Gase und hochauflösende Detektoren verwendet.

#Der GridPix-Detektor

Der GridPix ist ein Gasdetektor, der ein Micromegas-Gitter und einen Timepix-ASIC kombiniert, um Ladungsinformationen zu sammeln und auszulesen. Das Gitter hat winzige Löcher, die mit den Pixeln des Timepix ausgerichtet sind, was eine präzise Sammlung der von ionisierenden Teilchen erzeugten Signale ermöglicht. Wenn geladene Teilchen durch das Gas hindurchgehen, ionisieren sie es, und die erzeugten Elektronen driften zum GridPix, wo ihre Ladung detektiert werden kann.

#Aufbau des TPC-Prototypen

Wir haben einen TPC-Prototyp gebaut, der den GridPix-Chip enthielt und das Helium-Isobutan-Gemisch hielt. Das Gas war in einer speziell gestalteten Box untergebracht, die es uns ermöglichte, den Druck aufrechtzuerhalten und die notwendige Spannung für den GridPix bereitzustellen. Die TPC war mit einer Strahlleitung verbunden, wo sie Strahlen von Positronen, Pionen und Myonen mit verschiedenen Impulsen ausgesetzt wurde.

Mit Hilfe von scintillierenden Zählern konnten wir die Teilchenraten überwachen und die Präzision unserer Messungen verbessern. Dieses Setup erlaubte es uns, die Reaktion des GridPix in Echtzeit zu testen und dabei zwischen zwei Betriebsmodi zu wechseln, um umfassende Daten zu sammeln.

#Effizienzmessungen

Um zu verstehen, wie gut der GridPix Teilchen detektierte, mussten wir zuerst herausfinden, welche minimale Spannung erforderlich war, damit alle ionisierten Elektronen den Detektor erreichten. Wir sammelten Daten und fanden heraus, dass der GridPix mit den Helium-Isobutan-Gemischen effizient arbeitete, wenn die Spannung über bestimmten Schwellenwerten lag. Die Leistung variierte mit unterschiedlichen Gasgemischen, was darauf hindeutet, dass jedes Gemisch seine eigenen Vorteile hatte.

#Hochraten-Effekte

Wir bemerkten, dass der GridPix bei hohen Raten incoming Teilchen einen Rückgang der Signalqualität zeigen konnte. Um diesen Effekt zu testen, erhöhten wir die Anzahl der Teilchen, die den Detektor trafen. Als wir das taten, begann die durchschnittliche Ladung, die pro Pixel detektiert wurde, bei höheren Raten zu sinken, aber das war in dem leichteren Gasgemisch weniger ausgeprägt als bei den schwereren. Selbst bei hohen Raten blieb die Nachverfolgunseffizienz für unsere Messungen angemessen.

#Drift-Eigenschaften von Elektronen

Ein entscheidender Aspekt des Betriebs der TPC ist, wie Elektronen durch das Gasgemisch driften. Die Driftgeschwindigkeit zu kennen, hilft, die Bahnen der Teilchen genau zu rekonstruieren. Wir massen die Driftgeschwindigkeit, indem wir die Zeit beobachteten, die die Elektronen benötigten, um den GridPix aus unterschiedlichen Entfernungen zu erreichen. Die Messungen bestätigten, dass die Geschwindigkeiten mit den Vorhersagen bestehender Modelle übereinstimmten, was sicherstellte, dass unser Setup korrekt funktionierte.

#Fazit

Der Einsatz des GridPix-Detektors mit Helium-Isobutan-Gemischen in einem TPC-Prototyp hat vielversprechende Ergebnisse für die effektive Verfolgung von Niedrigimpuls-Teilchen gezeigt. Wir haben die Bedeutung eines stabilen Betriebs bei verschiedenen Gaskonzentrationen und Spannungen hervorgehoben. Die Erkenntnisse aus diesem Experiment können helfen, zukünftige Detektordesigns zu verfeinern, sodass sie besser für hochpräzise Physikexperimente geeignet sind.