The Drift Tube Spectrometer for the Measurement of the Muon Flux and Spectrum Emerging from a Proton Beam Dump at the SPS for the SHiP Experiment

Abstract

The SHiP experiment, which stands for the Search for Hidden Particles, is a proposed beam dump experiment dedicated to the search for yet undetected particles, utilizing the 400 GeV proton beam of CERN's Super Proton Synchrotron (SPS). SHiP will examine a region of the hidden sector, where particles are light enough to be accessible to existing accelerators but very weakly interacting. Due to their low interaction probability, these new particles might have evaded their detection due to too small detectors or too small beam intensity. The discovery of these particles requires a low and well known background. Being a beam dump experiment however, a huge flux of muons through the detector's acceptance is expected, prohibiting the detection of very rare decays in a detector, largely occupied by residual muons. To counter the detector's occupation by residual muons, the muon flux needs to be diverted from the acceptance. For this task, a magnetic shield was designed that diverts the muon flux to run past the detector's acceptance. For its optimization, a simulation was used to compute the flux and spectrum of muons emerging from the SHiP target. Because of the tight requirements to background for the SHiP experiment, an experimental validation of the simulation was considered necessary. Therefore, in summer 2018, an experiment was conducted in which a replica of the SHiP proton target was irradiated with 2.81 * 10^11 p.o.t. The spectrum of muons emerging from the target was examined using a drift tube spectrometer and RPC muon tagger.

In the context of this thesis, the drift tube spectrometer used for this measurement has been assembled, commissioned and operated in experiment conditions. Additionally, the tracking performance of the drift tube detector has been examined and methods have been developed, to allow for a track-based alignment of such a detector. This included the implementation of the GBL track fitting algorithm, which was successfully verified with straight tracks. Using a track simulation, the applicability of a track-based alignment has been demonstrated. Additionally, the requirements for an alignment with tracks, reconstructed from real, data have been examined.

Das SHiP Experiment ist ein Beam Dump Experiment, das vorgeschlagen wurde, um sich der Suche nach bisher unbekannten Teilchen, der Search for Hidden Particles zu widmen. Dabei soll es den 400 GeV Protonenstrahl des Super Proton Synchrotron Beschleunigers am CERN nutzen. SHiP wird einen Bereich des sog. Hidden Sectors untersuchen, in dem die enthaltenen Teilchen leicht genug sind, um mit heutigen Beschleunigeranlagen zugänglich zu sein, aber so schwach mit bekannten Teilchen wechselwirken, dass sie ihrer Entdeckung bisher wegen zu geringer Strahlintensität oder zu kleiner Detektoren entgangen sind. Die Entdeckung solcher schwach wechselwirkenden Teilchen erfordert eine sehr geringe und gut bekannte Rate an Untergrund-Ereignissen. An einem Beam Dump Experiment wird allerdings eine enorme Zahl an Myonen produziert, die in den Akzeptanzbereich des Detektors eindringen, was die Entdeckung sehr seltener Zerfälle unmöglich machen würde. Daher wurde ein magnetisches Schild entwickelt, das den Fluss der Myonen am Akzeptanzbereich des Detektors vorbei führen soll. Zu dessen Optimierung wurde eine Simulation verwendet, die Auskunft über das zu erwartende Spektrum der Myonen gibt. Auf Grund der starken Anforderungen an den Untergrund für das SHiP Experiment war es nötig, die Daten aus der Simulation experimentell zu bestätigen. Zu diesem Zweck wurde im Sommer 2018 ein Experiment durchgeführt, in dem eine Nachbildung des SHiP Protontargets mit Protonen aus dem SPS mit 2.81 * 10^11 p.o.t bestrahlt wurde. Das Spektrum der Myonen, die dabei das Target verlassen, wurde von einem Driftröhren-Spektrometer in Kombination mit einer Myonen-Identifikation durch einen RPC-Detektor vermessen.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Teile des Detektors gefertigt, sowie das Spektrometer aufgebaut, in Betrieb genommen und während des Experiments betrieben. Die Qualität der, mit dem Detektor rekonstruierten, Teilchenspuren wurde untersucht und dabei wurde ein neuer Algorithmus zur Spurrekonstruktion implementiert, der eine nachträgliche Ausrichtung des Detektors anhand der mit ihm gemessenen Spuren erlaubt. Die Leistungsfähigkeit sowohl der Spurrekonstruktion, als auch der nachträglichen Korrektur der Detektorausrichtung wurden mittels einer Simulation demonstriert. Zuletzt wurden die Bedingungen dafür untersucht, die Korrektur der Detektorausrichtung anhand realer Daten vorzunehmen.