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Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-1642
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dc.contributor.authorKrause, Sascha Christian
dc.date.accessioned2020-05-22T16:44:32Z
dc.date.available2020-05-22T18:44:32Z
dc.date.issued2020
dc.identifier.urihttps://openscience.ub.uni-mainz.de/handle/20.500.12030/1644-
dc.description.abstractFuture electron-positron collider, as the planned International Linear Collider (ILC), are predestined for precision measurements, for instance of the Higgs boson, because of their well-defined initial conditions. They are therefore complementary to proton-proton colliders, as the Large Hadron Collider (LHC), which in particular stands out with the highest center of mass energy of up to √s = 13 TeV and significantly contributes to the search of new physics. On the other hand, precision measurements allow to validate the standard model, or rather to search for possible deviations. A major requirement for such precision measurements is a high energy resolution of particle detectors, which is supposed to be achieved by means of the Particle Flow Approach, that requires a high granularity of the detector. The CALICE Analog Hadron Calorimeter (AHCAL) is developed for this purpose and is based on 30 x 30 x 3 mm^3 small scintillator tiles read out by Silicon Photomultipliers (SiPM). SiPMs are novel photo detectors, which consist of an array of up to thousands of pixels, each operated in Geiger-mode comparable to avalanche photodiodes. This thesis presents a study of the response saturation of SiPMs, on the one hand in a stand-alone operation and on the other hand in a combined SiPM-tile system within an AHCAL prototype, where testbeam data are utilized. These data comprise µ-, e- and π- measurements which have been recorded at the Super Proton Synchrotron (SPS) at CERN in July 2015. The analysis of testbeam data by means of simulations are an essential part of this thesis. In the course of this thesis, a setup has been put into operation which enables an automated measurement of the response saturation of stand-alone SiPMs. The results of these measurements are compared to different response models and show, as expected, a significant dependence of the saturation behavior to the total number of pixels of a SiPM. Especially, the probability for optical crosstalk also shows a clear impact on the response. Moreover, over-saturation is observed for some SiPMs. The second part of this thesis is about the analysis of testbeam data of the AHCAL prototype, which consists of 14 active layers. The non-availability of in total four of these layers, as well as the utilization of various layer generations with different SiPM-tile configurations, in particular complicate this analysis. An unforeseen low-energy background in electron data demands special event selections and adjustments to the simulation to ensure their compatibility. A method is developed which allows to analyze the response of the SiPM-tile system by utilizing testbeam data and simulation. Once again, a clear dependence to the total number of SiPM pixels is apparent, as well as to the optical crosstalk probability. In a final step, the linearity and energy resolution of the prototype are investigated and conclusions are drawn concerning optimization possibilities.en_GB
dc.description.abstractZukünftige Elektron-Positron Collider, wie der geplante International Linear Collider (ILC), sind auf Grund ihrer wohldefinierten Ausgangsbedingungen prädestiniert für Präzisionsmessungen, beispielsweise des Higgs-Bosons, und damit komplementär zu Proton-Proton Collidern wie dem Large Hadron Collider (LHC), welcher sich insbesondere durch bisher unerreichte Schwerpunktenergien von √s = 13 TeV auszeichnet und damit wesentlich zur Suche nach neuer Physik beiträgt. Präzisionsmessungen auf der anderen Seite ermöglichen die Validierung des Standardmodells, beziehungsweise die Suche nach möglichen Abweichungen. Entscheidend für Präzisionsmessungen dieser Art ist eine hohe Energieauflösung der Teilchendetektoren, die mit Hilfe des Particle-Flow-Algorithmus erreicht werden soll, welcher eine hohe Granularität des Detektors voraussetzt. Das CALICE Analog Hadron Calorimeter (AHCAL) wird zu diesem Zweck entwickelt und basiert auf 30 x 30 x 3 mm^3 kleinen Szintillatorkacheln (Tile), welche von Silizium-Photomultipliern (SiPM) ausgelesen werden. SiPMs sind neuartige Photodetektoren, welche aus einem Array von bis zu einigen Tausend Pixeln bestehen und jeweils vergleichbar zu Avalanche-Photodioden im Geigermodus betrieben werden. Diese Arbeit präsentiert die Untersuchung des Saturierungsverhaltens der Response von SiPMs, zum einen im eigenständigen Betrieb und zum anderem im kombinierten SiPM-Tile-System innerhalb eines AHCAL-Prototyps unter Verwendung von Teststrahldaten. Diese Daten umfassen µ-, e- und π- Messungen, welche am Super Proton Synchrotron (SPS) am CERN im Juli 2015 aufgenommen worden sind. Die Analyse dieser Teststrahldaten mithilfe von Simulationen bildet dabei einen wesentlichen Teil dieser Arbeit. Im Rahmen dieser Arbeit ist ein Teststand in Betrieb genommen worden, welcher die automatisierte Vermessung des SiPM-Saturierungsverhaltens im eigenständigen Betrieb ermöglicht. Die Resultate der Messung werden mit unterschiedlichen Response-Modellen verglichen und zeigen, wie zu erwarten, eine deutliche Abhängigkeit des Saturierungsverhaltens von der Anzahl der Pixel des SiPMs. Besonderen Einfluss auf die Response hat außerdem die Wahrscheinlichkeit für optisches Übersprechen. Für einige SiPMs wird zudem Übersaturierung beobachtet. Die Analyse der Teststrahldaten des AHCAL-Prototyps, welcher aus 14 aktiven Lagen besteht, bildet den zweiten großen Teil dieser Arbeit. Insbesondere die Nichtverfügbarkeit insgesamt vierer dieser Lagen, als auch die Verwendung unterschiedlicher Lagengenerationen mit abweichenden SiPM-Tile-Konfigurationen erschwert diese Analyse. Ein nicht vorgesehener niederenergetischer Untergrund in Elektron-Daten erzwingt spezielle Ereignisselektionen und Anpassungen der Simulationen, um deren Vereinbarkeit zu gewährleisten. Eine Methode wird ausgearbeitet, mit welcher sich die Response des SiPM-Tile-Systems mit Hilfe der Teststrahldaten und Simulationen analysieren lässt. Es zeigt sich erneut eine deutliche Abhängigkeit von der Zahl der Pixel des SiPMs, sowie eine Abhängigkeit von der Wahrscheinlichkeit für optisches Übersprechen. In einem finalen Schritt werden die Linearität und Energieauflösung des Prototyps untersucht und Rückschlüsse für Optimierungsmöglichkeiten gezogen.de_DE
dc.language.isoeng
dc.rightsInCopyrightde_DE
dc.rights.urihttps://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
dc.subject.ddc530 Physikde_DE
dc.subject.ddc530 Physicsen_GB
dc.titleStudies of the Response of Silicon Photomultipliers and Testbeam Data Analysis of a Highly Granular Analog Hadron Calorimeter Prototypeen_GB
dc.typeDissertationde_DE
dc.identifier.urnurn:nbn:de:hebis:77-diss-1000035173
dc.identifier.doihttp://doi.org/10.25358/openscience-1642-
jgu.type.dinitypedoctoralThesis
jgu.type.versionOriginal worken_GB
jgu.type.resourceText
jgu.description.extentix, 272 Seiten
jgu.organisation.departmentFB 08 Physik, Mathematik u. Informatik-
jgu.organisation.year2020
jgu.organisation.number7940-
jgu.organisation.nameJohannes Gutenberg-Universität Mainz-
jgu.rights.accessrightsopenAccess-
jgu.organisation.placeMainz-
jgu.subject.ddccode530
opus.date.accessioned2020-05-22T16:44:32Z
opus.date.modified2020-06-08T09:56:09Z
opus.date.available2020-05-22T18:44:32
opus.subject.dfgcode00-000
opus.organisation.stringFB 08: Physik, Mathematik und Informatik: Institut für Physikde_DE
opus.identifier.opusid100003517
opus.institute.number0801
opus.metadataonlyfalse
opus.type.contenttypeDissertationde_DE
opus.type.contenttypeDissertationen_GB
jgu.organisation.rorhttps://ror.org/023b0x485
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