Extreme Timing Detectors for Particle Identification and Their Physics Application at Future Electron-Positron Colliders

Abstract

Picosecond timing detectors, e.g. low gain avalanche diodes (LGADs), gained increasing attention in the context of future Higgs factory experiments due to their recent technological advancements. One of the applications of fast-timing detectors in future Higgs factory experiments is time-of-flight (TOF) particle identification (PID). However, the benefits and challenges of incorporating timing technologies into the proposed detector concepts remain unclear. TOF PID is expected to provide efficient PID at low momentum. However, its performance strongly depends on the reconstruction methods and achievable timing resolution of the specific timing technology, which is influenced by other detector requirements. Thus, TOF PID’s influence on the physics program of future experiments is yet to be understood. This study aims to advance our understanding of the role of fast-timing technologies in future Higgs factory experiments.

This study uses physics samples from the central 2020 Monte Carlo production with a full Geant4 simulation of and a corresponding reconstruction in the International Large Detector (ILD). While the study is performed using the ILD as a showcase, the results are also discussed in the context of other proposed future Higgs factory detector concepts.

This study establishes a novel state-of-the-art track length and TOF reconstruction algorithms that significantly outperform previous state-of-the-art used in the ILD. This study discovers the importance of precise track length reconstruction, which has always been neglected due to its negligible contribution, which changes with picosecond timing. Without the novel reconstruction methods, the results of future studies would be unreliable. The momenta spectrum of the majority of charged hadrons in the typical physics processes at the future Higgs factory experiments is shown to be within the reach of the TOF PID. The potential reconstruction and physics applications of the TOF PID stress the importance of using modern reconstruction tools and highlight the potential physics analyses that can benefit from the TOF PID.

TOF PID is a promising technique that can contribute to the physics reach of future Higgs factory experiments. It covers the momentum range containing most of the particles at a typical Higgs factory experiment and nicely complements the blind spots of other high-momentum PID tools.

Pikosekunden-Timing-Detektoren, z.B. Low Gain Avalanche Diodes (LGADs), haben aufgrund ihrer jüngsten technologischen Fortschritte im Zusammenhang mit zukünftigen Higgs-Factory-Experimenten zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Eine der Anwendungen von Detektoren mit schneller Zeitmessung in zukünftigen Higgs-Fabrik-Experimenten ist die Flugzeit-Teilchenidentifikation (engl. TOF PID). Allerdings sind die Vorteile und Herausforderungen, die sich aus der Einbeziehung von Zeitmessungstechnologien in die vorgeschlagenen Detektorkonzepte ergeben, noch unklar. Es wird erwartet, dass TOF PID effiziente Teilchenidentifikation im Regime kleiner Impulse ermöglicht. Die Leistungsfähigkeit hängt jedoch stark von den Rekonstruktionsmethoden und der erreichbaren Zeitauflösung der spezifischen Zeitmessungstechnologie ab, die wiederum von anderen Detektoranforderungen beeinflusst wird. Daher muss der Einfluss von TOF PID Methoden auf mögliche Messungen an zukünftiger Experimente noch verstanden werden. Diese Studie zielt darauf ab, unser Verständnis der Rolle der Fast-Timing-Technologien in zukünftigen Higgs-Factory-Experimenten zu verbessern. Diese Studie verwendet Daten aus der zentralen 2020 Monte-Carlo-Produktion mit einer vollständigen Geant4-Simulation und einer entsprechenden Rekonstruktion im International Large Detector (ILD). Obwohl die Studie am Beispiel des ILD durchgeführt wird, werden die Ergebnisse auch im Kontext anderer vorgeschlagener zukünftiger Higgs-Factory-Detektorkonzepte diskutiert. In dieser Studie wird ein neuer, hochmoderner Algorithmus zur Rekonstruktion der Spurlänge und der TOF entwickelt, der die bisher im ILD verwendeten Algorithmen deutlich übertrifft. Diese Studie zeigt die Bedeutung der präzisen Rekonstruktion der Spurlänge, die aufgrund ihres geringen Einflusses, der sich mit dem Pikosekunden-Timing deutlich erhöht, immer vernachlässigt wurde. Ohne die neuen Rekonstruktionsmethoden wären die Ergebnisse zukünftiger Studien unzuverlässig. Es wird gezeigt, dass das Impulsspektrum der meisten geladenen Hadronen in den typischen physikalischen Prozessen der zukünftigen Higgs-Fabrik-Experimente innerhalb der Reichweite der TOF PID Methode liegt. Die potenziellen Rekonstruktions- und Physikanwendungen der TOF PID Methode unterstreichen die Bedeutung des Einsatzes moderner Rekonstruktionswerkzeuge und heben die potenziellen Physikanalysen hervor, die von der TOF PID profitieren können. TOF PID ist eine vielversprechende Technik, die zur physikalischen Reichweite der zukünftigen Higgs-Fabrik-Experimente beitragen kann. Sie deckt den Impulsbereich ab, der die Mehrheit der Teilchen in einem typischen Higgs-Fabrik-Experiment enthält, und deckt die Schwächen anderer, für hohe Impulse ausgelegter, PID-Techniken ab.