Design and development of calorimetry at SHiP and SND@LHC

Abstract

This thesis focuses on calorimetry in the context of searches for rare particle interactions at the SHiP and SND@LHC experiments at CERN. The SHiP (Search for Hidden Particles) experiment at CERN SPS is going to be the flagship

experiment for investigating low-coupling physics in the O(10 MeV) to a couple of GeV range. Its calorimeter system will achieve very good particle identification capabilities and be able to reconstruct the directionality of electromagnetic shower with excellent precision. This will enable significant background reduction and the ability to reconstruct neutral final states arising from possible new physics decays. For this, it relies on plastic scintillator bars traversed by wavelength-shifting fibres and readout by SiPMs on the one hand and high-precision layers on the other. The physics requirements of the calorimeter have been studied with Monte Carlo simulations. The plastic scintillator layers’ light yield was optimised both in simulations and laboratory studies, yielding a design for usage in the final experiment. The readout electronics must cover a very large dynamic range, four systems were investigated with the KLauS chip being identified as having potential for usage in the end experiment. Three test beams were lead using a modular and custom-built prototype of the SHiP electromagnetic calorimeter system. There, different readout electronics and detector configurations were evaluated. Preliminary results allow to establish the robustness of the design for energy reconstruction and particle identification. These studies are in use for the final design of the energy reconstruction and particle identification.

The SND@LHC (Scattering Neutrino Detector at the Large Hadron Collider) is a running experiment placed off-axis at the ATLAS interaction point at 7.2 < η < 8.6. The experiment’s position enhances the charm parentage of final state νe and ντ from decays inside of ATLAS. A hadronic calorimeter based on scintillator bars readout by SiPMs is used to identify muons and measure the energy of hadronic final states from interactions in an emulsion target. The perfor- mance of the hadronic calorimeter has been studied. Its response to hadronic showers as well as the development and testing of tagging algorithms used for the calorimeter calibration are presented. In addition, muon deep inelastic scattering and catastrophic muon bremsstrahlung background studies have been performed in the emulsion detector together with the develop- ment of electromagnetic calorimetry techniques. These evaluations are currently being used for searches for νe in the emulsion detector at SND@LHC.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Kalorimetrie im Rahmen der Suche nach seltenen Teilchenwechselwirkungen in den SHiP- und SND@LHC-Experimenten am CERN. Das geplante SHiP-Experiment (Search for Hidden Particles) am CERN-SPS soll schwach

wechselwirkende Teilchen im Energiebereich zwischen O(10) MeV) und einigen GeV nachweisen. Das SHiP-Kalorimeter muss über eine sehr gute Teilchenidentifikation verfügen und in der Lage sein, die Richtung elektromagnetischer Schauer mit hoher Präzision zu rekonstruieren. Dies ermöglicht eine starke Unterdrückung von Hintergrundprozessen und die Rekonstruktion neutraler Endzustände aus Zerfällen möglicher neuer Teilchen. Dafür werden Plastikszintil- latorstreifen eingesetzt, die einerseits von wellenlängenverschiebenden Fasern durchzogen und mit SiPMs ausgelesen werden und andererseits auf hochpräzise Lagen. Die physikalischen An- forderungen an das Kalorimeter wurden mit Monte-Carlo-Simulationen untersucht. Die Lich- tausbeute der Szintillatoren wurde sowohl in Simulationen als auch in Laborstudien optimiert. Das daraus folgende Design ist für die Verwendung im endgültigen Experiment vorgesehen. Für die Ausleseelektronik, die einen sehr großen dynamischen Bereich abdecken muss, wurden vier verschiedene Systeme untersucht. Der von der Universität Heidelberg stammende ASIC KLauS wurde dabei als geeignet für den Einsatz im endgültigen Experiment identifiziert. Drei Teststrahlkampagnen wurden mit einem speziell entwickelten, modularen Prototypen des elek- tromagnetischen SHiP-Kalorimeters durchgeführt. Dabei wurden verschiedene Detektorkonfig- urationen und Datenauslesesysteme getestet. Die Ergebnisse belegen die Eignung des Designs für die Energierekonstruktion und Teilchenidentifikation.

Das zur Zeit laufende SND@LHC-Experiment (Scattering and Neutrino Detector at the Large Hadron Collider) befindet sich nahe des ATLAS-Wechselwirkungspunkts im Bereich 7.2 < η < 8.6 außerhalb der LHC-Strahlachse. Durch die Position des Experiments stammt ein großer Anteil an νe- und ντ -Neutrinos aus Charmproduktion bei ATLAS. Ein hadronisches Kalorimeter, basierend auf Szintillatorstreifen mit SiPM-Auslese, wird verwendet, um Myonen zu identifizieren und die Energie hadronischer Endzustände zu messen. Die Leistungsfähigkeit des hadronischen Kalorimeters wurde eingehend untersucht. Sowohl der Nachweis von hadronis- chen Schauern als auch die Entwicklung und der Test von Softwarealgorithmen zum Tagging, das für die Kalibrierung des Kalorimeters verwendet wird, werden vorgestellt. Zusätzlich wurden Studien zu tief-inelastischer Myonstreuung und katastrophaler Myon-Bremsstrahlung im Emul- sionsdetektor durchgeführt, ebenso wie zur Rekonstruktion von elektromagnetischen Schauern. Die Ergebnisse werden derzeit zur Suche nach νe-Neutrinos im SND@LHC-Emulsionsdetektor genutzt.