Shower Shapes in a Highly Granular SiPM-on-Tile Analog Hadron Calorimeter

Abstract

This thesis concerns the development of a hadron calorimeter for future e+ e− collider experiments such as ILC. The detectors at the ILC are optimized for the particle-flow approach, which aims to reach a jet energy resolution of 3-4% by measuring each particle in a jet using the best sub-detector measurement. This can only be achieved by using highly granular calorimeters. The CAlorimeter for LInear Collider Experiment (CALICE) collaboration develops different imaging calorimeters with high granularity. The work in this dissertation presents the analysis of shower shapes with data recorded using a CALICE Analog Hadron CALorimeter (AHCAL) technological prototype. It is a sampling calorimeter made of layers of steel absorbers interleaved with 30 × 30 × 3 mm3 scintillating tiles with Silicon PhotoMultipliers (SiPM)-on-tile readout as active material. The prototype has been operated successfully at CERN in 2018 and acquired sizeable datasets using beams of muons, electrons and pions at different beam energies. Firstly, a successful calibration with more than 99.9% channels of the AHCAL prototype and stable operation over several weeks of testbeam periods is presented. Secondly, GEANT4 simulations are compared to testbeam data as a cross-check to detector calibration. In addition, the conventional calorimeter properties such as the detector response and single-particle energy resolution is evaluated. Using the obtained AHCAL data, this dissertation presents the first three-dimensional hadronic shower model describing the evolution of the average hadronic shower of a pion in the energy range between 10 and 200 GeV. Furthermore, this model holds potential implications for fast simulations and the Particle Flow Approach (PFA). Finally, a comparison is done to validate and understand the picture of an average hadron shower shape by exploiting the Monte Carlo truth information.

Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Hadronkalorimeters für zukünftige e+ e− Collider-Experimente wie dem ILC. Die Detektoren am ILC sind für den “Particle Flow”-Ansatz optimiert, der darauf abzielt, eine Energieauflösung von 3-4% für Teilchenjets zu erreichen, indem jedes Teilchen in einem Teilchenjet mit der besten Subdetektormessung rekonstruiert wird. Dies kann nur mit hochgranularen Kalorimetern erreicht werden. Die CAlorimeter for LInear Collider Experiment (CALICE) Kollaboration entwickelt verschiedene bildgebende Kalorimeter mit hoher Granularität. Diese Dissertation präsentiert eine Analyse der Form von hadronischen Schauern, mit Daten, die mit dem technologischen Prototyp des CALICE Analog Hadron CALorimeter (AHCAL) aufgezeichnet wurden. Es ist ein Sampling-Kalorimeter aus Schichten von Stahlabsorbern im Wechsel mit Lagen aus 30 × 30 × 3 mm3 großen Szintillationskacheln als aktivem Material, die durch Silicon Photo Multipliers (SiPM) direkt ausgelesen werden. Der Prototyp wurde 2018 erfolgreich am CERN betrieben und es wurden umfangreiche Datensätze von Myon, Elektron und Pion-Strahlen. Zunächst wird eine erfolgreiche Kalibrierung von mehr als 99,9% der Kanäle des aufgezeichnet AHCALPrototyps sowie dessen stabiler Betrieb über mehrere Wochen Testbeam präsentiert. Als Nächstes werden GEANT4-Simulationen anhand von Teststrahldaten als Gegenprobe zur Detektorkalibrierung validiert. Dazu werden Parameter der Simulation, wie z.B. die Korrektur der SiPM-Sättigung, abgestimmt. Zusätzlich werden die klassischen Kalorimetereigenschaften wie Detektorantwort und Einzelteilchen-Energieauflösung ausgewertet. In dieser Dissertation wird, unter Verwendung der AHCAL-Daten, das erste dreidimensionale hadronische Schauer- modell entwickelt, das die Entwicklung des durchschnittlichen hadronischen Schauers eines Pions im Energiebereich zwischen 10 und 200 GeV beschreibt. Es wird mit den Vorhersagen aus GEANT4-Simulationen verglichen. Darüber hinaus enthält dieses Modell mögliche Implikationen für schnelle Simulationen und den “Particle Flow”-Ansatz (PFA). Um das Bild einer durchschnittlichen Hadronschauerform zu validieren und zu verstehen, werden schlussendlich noch Details, die unter Verwendung der wahren Teilcheninformation in der Simulation verfügbar sind, verwendet.