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Die Suche nach einem geeigneten Photosensor für das PANDA-Experiment wurde durch folgende Anforderungen eingegrenzt: • Tauglichkeit in einem starken Magnetfeld • Funktionsfähigkeit trotz niedriger Temperatur • geringe Bauhöhe • interne Verstärkungsstufe wegen der geringen Lichtausbeute von PbWO4 • stabiler Betrieb trotz hoher Strahlenbelastung Diese Punkte werden von Large Area Avalanche-Photodioden (LAAPDs) erfüllt. Da diese Si-Halbleiterdioden im laufenden Experiment einer hohen Strahlenbelastung ausgesetzt sein werden, ist es erforderlich, die Strahlenhärte im Vorfeld intensiv zu testen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden Strahlenhärtetests mit geladenen und neutralen Teilchen an (inter-)nationalen Instituten und der Universität Frankfurt durchgeführt, wobei das Hauptaugenmerk auf der Neutronenbestrahlung lag. Dazu wurde eine Messvorrichtung entwickelt und funktionstüchtig aufgebaut, mit der dann die Messungen an fünf verschiedenen Dioden mit einer Kapazität von 180 pF vorgenommen wurden. Während der Bestrahlung wurde der Dunkelstrom in Abhängigkeit von der Bestrahlungszeit bei konstanten Temperaturen gemessen. Vor und nach den Tests wurden die APD-Parameter charakterisert, um später durch den Vergleich der Daten Aussagen zur Strahlenhärte der Photodetektoren machen zu können. Die Ergebnisse und Vergleiche zeigen, dass die APDs nach der Bestrahlung mit Photonen weiterhin gut funktionieren. Die Quantenausbeute verändert sich nicht. Der durch Protonen- (Rate ≈ 1013 p/cm2 (90 MeV) und Neutronenbestrahlung (Rate ≈ 1010 n/cm2 (1 MeV) und 1014 n/cm2 (14 MeV)) erzeugte hohe Dunkelstrom der APDs ist aufgrund seiner Temperaturabhängigkeit und den Ausheilungseffekte reduzierbar. Es ist zu erwarten, dass die APDs im laufenden Experimentbetrieb trotz dieser Strahlung funktionsfähig bleiben werden. Sobald die mit Neutronen bestrahlten APDs abgeklungen sind, werden ihre Parameter zum Vorher-/Nachher-Vergleich vermessen. Dazu gehören der Dunkelstrom in Abhängigkeit von der Verstärkung, die Verstärkung in Abhängigkeit von der Spannung und Wellenlänge und die Quantenausbeute. Um die Ausheilung bestrahlter Photodioden in Abhängigkeit von der Temperatur genauer zu bestimmen, sollen sie (unter Vorspannung) in einem Ofen bei T = 80◦C ausgebacken werden, bis der Dunkelstrom sich wieder in einem Gleichgewicht befindet. Nach diesem Vorgang werden dann alle APD-Parameter noch einmal vermessen, um einen Vergleich mit den Werten vor der Bestrahlung zu ziehen. Neben diesen nachbereitenden Arbeiten wird an ersten rechteckigen APD-Prototypen, die sich in der Entwicklungsphasen befinden, geforscht. An diesen außergewöhnlich großen APDs müssen alle an den quadratischen Photodioden bereits durchgeführten und noch folgenden Tests ebenfalls vorgenommen werden.

Das Antiprotonen-Experiment PANDA an der zukünftigen Beschleunigeranlage FAIR wird unter anderem Charmonium-Zustände mit einer bis dato unerreichten Genauigkeit messen können. Um dieses Ziel zu erreichen, wird eine sehr gute Teilchenidentifikationsfähigkeit verlangt. Eine gute Trennung zwischen Pionen und Kaonen wird durch den Einsatz eines Cherenkovdetektors erreicht. Die Leistungsfähigkeit eines DIRC hängt von dessen Radiatorgüte ab. Um die Qualität der Radiatorstäbe spezifizieren zu können, wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit eine optische Messapparatur entwickelt. Dieser Aufbau erlaubt es die Transmission sowie die Oberflächenrauheit der Stäbe zu messen. Es wurden mehrere Radiatorstäbe aus synthetischem Quarzglas und Acrylglas untersucht. Die Messgenauigkeit bei hochqualitativen Stäben liegt für die Transmissionsmessung bei etwa 1 Promille und für die Rauheit bei 1-2 Angström. Die Messergebnisse bei verschiedenen Wellenlängen zeigen eine gute Übereinstimmung mit der skalaren Streutheorie, die den Zusammenhang zwischen Reflexionskoeffizienten und Rauheit beschreibt. Bei einer Strahlzeit an der GSI mit einem 2 GeV Protonenstrahl wurde ein erster Prototyp für den Barrel-DIRC mit einem Stab aus synthetischem Quarzglas als Radiator getestet. Durch Variation des Einfallswinkels und der Position des Protonenstrahls auf dem Radiator konnten Cherenkovringe eindeutig nachgewiesen werden. Zudem wurde der Cherenkovwinkel und die Einzelphotonauflösung in guter Übereinstimmung mit dem Erwartetem und der Simulation bestimmt.

The PANDA experiment at FAIR will perform world class physics studies using high-intensity cooled antiproton beams with momenta between 1.5 and 15 GeV/c. A rich physics program requires very good particle identification (PID). Charged hadron PID for the barrel section of the target spectrometer has to cover the angular range of 22-140° and separate pions from kaons for momenta up to 3.5 GeV/c with a separation power of at least 3 standard deviations. The system that will provide it has to be thin and operate in a strong magnetic field. A ring imaging Cherenkov detector using the DIRC principle meets those requirements. The design of the PANDA Barrel DIRC is based on the successful BABAR DIRC counter with several important changes to improve the performance and optimize the costs. The design options are being studied in detailed Monte Carlo simulation, and implemented in increasingly complex system prototypes and tested in particle beams. Before building the full system prototypes the radiator bars and lenses are measured on the test benches. The performance of the DIRC prototype was quantified in terms of the single photon Cherenkov angle resolution and the photon yield. Results for two full system prototypes will be presented. The prototype in 2011 aimed at investigating the full size expansion volume. It was found that the resolution for this configuration is at the level of in good agreement with ray tracing simulation results. A more complex prototype, tested in 2012, provided the first experience with a compact fused silica prism expansion volume, a wide radiator plate, and several advanced lens options for the focusing system. The performance of the baseline configuration of the prototype with a standard lens and an air gap met the requirements for the PANDA PID for most of the polar angle range but failed at polar angles around 90° due to photon loss at the air gap. Measurements with a prototype high-refractive index compound lens without an air gap at a polar angle of 128° beam angle showed a good resolution of σΘC = 11.8 ± 0.7 mrad and a high photon yield of Nph = 26.1 ± 0.4. Even at polar angles close to 90° the photon yield with this lens exceeded 15 detected photons per particle, meeting the PANDA Barrel DIRC PID requirements for the entire phase space and demonstrating that the compact focusing DIRC is a very promising option for PANDA.

In the last two decades, new unpredicted charmonium-like states with extraordinary characteristics have been observed experimentally. These states also known as the XYZ states, e.g., the Y(4260) or the X(3872), are mostly interpreted as QCD allowed exotic hadrons. One of the leading hadron physics experiments in the world, the Beijing Electron Spectrometer III (BESIII) at the Beijing Electron-Positron Collider II (BEPCII) is aiming towards revealing the internal structure of these states. It has brought numerous breakthrough discoveries including the discovery of the charged Zc(3900). In order to understand the nature of the Y(4260) state and its decay patterns, an inclusive analysis is performed for different recoil systems (π+π−,K+K− and K±π∓) using the BESIII data samples for center of mass energies above 4 GeV collected between 2013 and 2019. The aim of this analysis is twofold: on one hand, we search for new unobserved charmonium-like decay channels using the missing mass technique and on the other hand, it provides an accurate inclusive cross section measurement for e+e−→X π+π−, with the X being the J/ψ, hc and ψ(2S), respectively. Two resonant structures, the Y(4220) and the Y(4390), are observed in the inclusive energy dependent Born cross section of e+e−→hc π+π−, which is consistent with the BESIII exclusive measurements. Moreover, the energy dependent cross section of e+e−→J/ψ π+π− is investigated, in which two resonances have consistently been observed with the previous BESIII exclusive studies, namely, the Y(4220) and the Y(4320). In the (K±π±) recoil system, possible Y(4260) open charm decay channels are investigated. Two enhancements are observed in the inclusive energy dependent cross section of e+e−→DD above 4.13GeV, which could possibly be the ψ(4160)and the ψ(4415).

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung, der Aufbau und die Charakterisierung sowie Messung einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (engl.: Application Specific Integrated Circuit, ASIC). Sie dient der Auslese der im elektromagnetischen Kalorimeter des PANDA-Experiments eingesetzten Lawinenfotodioden. Jeder Auslesekanal beinhaltet in der Eingangsstufe einen ladungsempfindlichen Vorverstärker, gefolgt von einem Pulsformer sowie zwei Ausgangstreibern. Am Beginn der Entwicklung steht die Machbarkeitsstudie einer integrierten Ausleseelektronik, welche die anspruchsvollen Anforderungen des PANDA-Experiments erfüllt. Aus rauschtheoretischen Untersuchungen resultieren erste Entwurfsparameter für die Schaltung, die mit Hilfe umfangreicher Simulationen verbessert und ergänzt werden. Die technische Umsetzung der Schaltung erfolgt in einem 0,35 Micrometer-CMOS-Prozess der Firma Austria Mikrosysteme. Die Charakterisierung der integrierten Ausleseelektronik ergibt bei einer Umgebungstemperatur von T = - 20° C eine Shapingzeit des Signalpulses von tr = (124 ± 2) ns. Mit dem äquivalenten Rauschwert von ENC = (4456 ± 35) e- und einer maximal möglichen Eingangsladung von 7,84 pC folgt ein dynamischer Bereich von über 10 000. Der ratenunabhängige Leistungsbedarf eines einzelnen Auslesekanals beträgt P = (52, 4 ± 0, 2)mW. Damit erfüllt der in dieser Arbeit beschriebene ASIC Prototyp alle Anforderungen, die vom Experiment an die Ausleseelektronik gestellt werden.