Entwicklung einer hochgranularen Auslese für eine Zeitprojektionskammer und ihre Vorteile im Rahmen von Teilchenidentifikation,Development of a highly granular readout for a time projection chamber and its advantages for particle identification
Diese Doktorarbeit betrachtet fortgeschrittene Techniken zur Teilchenidentifikation, insbesondere mittels dE/dx, in einem Teilchendetektor an einer zukünftigen Higgs-Fabrik. Der International Linear Collider (ILC) ist ein vorgeschlagener e+e−-Collider mit einer Schwerpunktsenergie von bis zu 500 GeV, der eine saubere Umgebung für Präzisions- messungen des Standarmodells der Teilchenphysik ermöglichen wird. Dies umschließt eine beispiellose Vermessung des elektroschwachen Sektors und insbesondere des Higgs-Boson. Neue Detektorkonzepte sind notwendig, um die dafür notwendigen Präzisionsmessungen zu ermöglichen. Ein vorgeschlagenes Konzept ist der International Large Detector (ILD), in dem als zentrale Spurkammer eine Zeitprojektionskammer (TPC) zum Einsatz kommt. Im Vergleich zu modernen Silizium-basierten Detektoren ermöglicht die TPC in ihrem gasförmigen sensitiven Volumen eine kontinuierliche Spurverfolgung, die eine exzellente Strukturerkennung und Spurrekonstruktionseffizienz sowie eine Messung des spezifischen Energieverlustes dE/dx liefert. Der spezifische Energieverlust eines geladenen Teilchens hängt von seinem Impuls und seiner Masse ab und kann zur Teilchenidentifikation (PID) genutzt werden. Diese Arbeit untersucht dE/dx in seinen verschiedenen Aspekten in einem Teilchendetektor, von einem neuartigen Ansatz einer TPC-Auslese, über detaillierte Simulationen, wie sich ein solcher Ansatz auf die PID auswirkt, über eine gesamt-ILD-Simulation von Teilchenidentifikation insbesondere mittels dE/dx, aber auch in Kombination mit Flugzeitmessung, bis hin zur Verwendung dieser PID-Algorithmen in gesamt-ILD-Physikanalysen und zu ihrer Auswirkung auf die Observablen. Im ersten Teil wird die Entwicklung eines neuartigen Ansatzes einer TPC-Auslese präsentiert. Sein Ziel ist die Kombination der Flexibilität einer Pad-basierten Auslese mit der Möglichkeit hoher Granularität einer Pixel-basierten Auslese. Er nutzt die di- rekte Auslese einer Padebene auf einer Leiterplatte (PCB) mittels eines Pixel-ASIC. Der herausfordernde Bonding-Prozess dieses Chips auf das PCB wird beschrieben zusam- men mit den Lehren in Hinblick auf eine zukünftige Fortsetzung dieses Ansatzes. Das Rauschen im gebondeten System wird gemessen und mit einem simulierten Signal verglichen, was zeigt, dass ein S/N-Verhältnis von mehr als 10 erreicht werden kann und dieser Ansatz daher gangbar ist. Als nächstes werden die Vorteile einer hoch granularen TPC-Auslese für PID in ab-initio-Simulationen untersucht. Die konventionelle Methode dE/dx zu messen, die Ladungssummierung, wird mit höherer Granularität moderat besser. Unterhalb einer Padgröße von einigen 100 μm wird der Cluster-Zählungsalgorithmus effektiv, der die Anzahl der primären Ionisations-Cluster rekonstruiert. Diese Anzahl ist stärker mit dem Teilchenimpuls korreliert als die Ladungssumme, wodurch eine verbesserte PID ermöglicht wird, was quantifiziert und dargelegt wird. Eine Extrapolation zur ILD TPC zeigt, dass mit quadratischen Pads von 1 mm Höhe die effektive dE/dx-Auflösung um etwa 20 % verbessert würde, und um weitere 20 % mit Cluster-Zählung, was eine Pad- höhe von unter 300 μm erfordern würde. Weiterhin wird Spur-basierte PID in einer gesamt-ILD-Simulation untersucht, mit einem Fokus auf dE/dx, aber auch unter Berücksichtigung von V0-Ermittlung und Flugzeitmessung (TOF). Eine dE/dx-Kalibrationsstrategie für MC-Produktionen wird dargelegt. Die dE/dx-Leistungsfähigkeit wird mit der von TOF kombiniert und ihre Komplementarität hervorgehoben. Schließlich wird die untersuchte PID auf Physikanalysen von ILC-Events in gesamt- ILD-Simulationen angewandt. Mittels TOF können Kaonen, die in ILC-Kollisionen erzeugt werden, ausgewählt und die Kaonmasse gemessen werden, wobei die verbleibende statistische Unsicherheit von der genutzten Zeitauflösung abhängt. Mit der Luminosität des vollständigen ILC-Programms bei 500 GeV von 4 ab−1 würde der statistische Fehler auf die Kaonmasse bei einer realistischen Zeitauflösung ausreichen, um die derzeitige Spannung zwischen den zwei führenden existierenden Messungen aufzulösen. In der zweiten Analyse wird Spur-PID im Flavour-Tag in hadronischen W-Zerfällen verwendet, um Zerfälle der ersten Quark-Generation von solchen der zweiten zu unterscheiden. Es wird gezeigt, dass dies zusätzliche Information liefert, die unabhängig vom LCFIPlus Flavour-Tag ist, der derzeit als Standard verwendet wird. Dies ermöglicht, Zerfälle der zweiten Generation mit höherer Effizienz auszuwählen, was die nutzbare Statistik bei hohem erforderten Reinheitsgrad um mehrere 10 % erhöht. Diese Steigerung hängt dabei stark von der erreichbaren dE/dx-Auflösung ab: Mit der Design-dE/dx-Auflösung des ILD von 4.5 % ist der Anstieg etwa 27 % bei einem Reinheitgrad von 0.99, mit einer schlechteren dE/dx-Auflösung von 7 % würde er auf 10 % zurückgehen. Wenn andererseits eine verbesserte dE/dx-Auflösung von 2.6 % erzielt werden könnte, d.h. mit der neuartigen Auslesetechnologie, die in dieser Arbeit vorgestellt wird, dann würde der Anstieg sogar 45 % erreichen.
This thesis adressess advanced particle identification techniques, in particular via dE/dx, in a particle detector at a future Higgs factory. The International Linear Collider (ILC) is a proposed e+e- collider with a center-of-mass energy of up to 500 GeV which will provide a clean environment to perform precision measurements of the Standard Model of particle physics. This includes an unprecedented survey of the electroweak sector and in particular the Higgs boson. New detector concepts are necessary to enable the required precision measurements. One proposed concept is the International Large Detector (ILD), which has a Time Projection Chamber (TPC) as its central tracker. Compared to modern silicon-based detectors, the TPC allows continuous tracking in its gaseous sensitive volume, which provides excellent pattern recognition and tracking efficiency, as well as a measurement of the specific energy loss dE/dx. The specific energy loss of a charged particle depends on its momentum and mass and can be used for particle identification (PID). This work studies dE/dx in its different aspects in a particle detector, from a novel hardware approach to a TPC readout, through detailed simulations how such an approach would affect PID, through a full-ILD simulation of particle identification in particular via dE/dx but also in combination with time-of-flight (TOF), to the application of these PID algorithms to full-ILD physics analyses and its effect on the physics observables. In the first part, the development of a novel approach of a TPC readout is presented. Its goal is to combine the flexibility of a pad-based readout with the possible high granularity of a pixel-based readout. It uses the direct readout of a pad plane on a printed circuit board (PCB) via a pixel ASIC. The challenging bonding process of this chip to the PCB is laid out, together with lessons learned for a future continuation of this approach. The noise in the bonded system is measured and compared to a simulated signal, which shows that a S/N ratio ...