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Detektorentwicklung – hochauflösende Kalorimeter

Der Schwerpunkt der Detektor-Aktivitäten der Gruppe liegt auf der Entwicklung von hadronischen Kalorimetern. Diese sollen die Energie von Teilchenschauern mit bisher unerreichter räumlicher Granularität messen. Man bezeichnet sie daher auch als „bildgebende Kalorimeter“. Diese Arbeit wird in der CALICE-Kollaboration durchgeführt, in der wir am analogen hadronischen Kalorimeter (AHCAL) arbeiten. 

Technischer Hintergrund der Detektorentwicklung

Wartungsarbeiten am hadronischen Kalorimeter der CALICE Kollaboration bei einer Testmessung am Fermilab bei Chicago
Wartungsarbeiten am hadronischen Kalorimeter der CALICE-Kollaboration bei einer Testmessung am Fermilab bei Chicago (Foto: R. Hahn/Fermilab)

Das AHCAL verwendet kleine Plastik-Szintillatorkacheln, die einzeln mit Silizium-basierten Lichtdetektoren (Silizium-Photomultiplier, SiPM) ausgelesen werden. Das Kalorimeter zeichnet hochaufgelöste drei-dimensionale Bilder jedes Teilchenschauers auf. Das erlaubt die Verwendung von modernen Techniken zur Ereignisrekonstruktion, zum Beispiel „Particle Flow“ – Algorithmen, die eine deutliche Verbesserung der Energiemessungen an Linear Collidern gegenüber dem aktuellen Stand der Technik versprechen. Die hohe Granularität liefert auch die notwendigen Informationen für fortschrittliche Methoden zur Energiebestimmung einzelner Teilchen, die in unserer Gruppe entwickelt werden.

In den letzten Jahren wurden diese neuen Technologien mit einem ersten, 1 Kubikmeter großen und 8 Tonnen schweren Prototypen in Test-Experimenten an Beschleunigern erprobt. Durch die drei-dimensionale Analyse hadronischer Schauer wurde detaillierte Information zur Physik dieser Teilchenschauer gewonnen, die zu einer Verbesserung der Simulationen von Teilchendetektoren führt und damit auch für andere Experimente in der Teilchenphysik von großer Bedeutung ist.

Inzwischen ist die Entwicklung „technologischer“ Prototypen in den Fokus gerückt. Diese Detektoren werden in den nächsten Jahren die Fähigkeiten hochgranularer Kalorimeter unter realistischen Bedingungen mit kompakter, vollständig im Detektor integrierter Elektronik demonstrieren. Die innerhalb von CALICE entwickelten Technologien finden auch in anderen Projekten Anwendung, von den Upgrades der LHC-Detektoren bis hin zu Systemen in der medizinischen Diagnostik.