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During RUN3 (2021-2023) of the Large Hadron Collider, the Time Projection Chamber (TPC) of ALICE will be operated with quadruple stacks of Gas Electron Multipliers (GEMs). This technology will allow to overcome the rate limitation due to the gated operation of the Multi-Wire Proportional Chambers (MWPCs) used in RUN1 (2009-2013) and RUN2 (2015-2018).
As part of the Upgrade project, long-term irradiation tests, so called "ageing tests", have been carried out. A test setup with a detector using a quadruple stack of 10x10cm2 GEMs was built and operated in Ar-CO2 and Ne-CO2-N2 gas mixtures. The detector performance such as gas gain and energy resolution were monitored continuously. In addition, outgassing tests of materials used for the assembly process of the upgraded TPC were performed. To reach the expected dose of the GEM-based TPC, the detector was operated at much higher gains than the TPC. It was found, that the GEMs could keep their performance within the projected lifetime of the TPC. Most of the tested materials showed no negative impact on the detector. For the tested epoxy adhesive no certain conclusion could be drawn.
At much higher doses than expected for the upgraded TPC, a new phenomenon was observed, which changed the hole geometry of the GEMs and led to a degradation of the energy resolution. Even though its occurrence is not expected during the lifetime of the GEM-based TPC, simulations were carried out to study this effect more systematically. The simulations confirmed, that a change of the hole geometries of the GEMs, lead to an increase of the local gain variation, which results in a decrease of the energy resolution.
Furthermore the effect of methane as quench gas on GEMs was studied, even though this gas is not foreseen to be used in the TPC. From ageing tests with single-wire proportional counters it is well known that hydrocarbons are produced in the plasma of the avalanches, which cover the electrodes and lead to a degradation of the detector performance. Even though GEMs have a quite different geometry, the ageing tests showed, that also this technology tends to methane-induced ageing. A loss of gas gain as well as a degradation of the energy resolution due to deposits on the electrodes was monitored. A qualitative and quantitative comparison between ageing in GEMs and proportional counters was performed.
The measurement of dielectrons (electron-positron pairs) allows to investigate the properties of strongly interacting matter, in particular the Quark-Gluon Plasma (QGP), which is created in relativistic heavy-ion collisions at the LHC. The evolution of the collision can be probed via dielectrons since electrons do not interact strongly and are created during all stages of the collision. One of the interests in dielectron measurements is motivated by possible modifications of the electromagnetic emission spectrum in the QGP, where pp collisions are used as a medium-free reference. The dielectron spectrum consists of contributions from various processes. In order to estimate contributions of known dielectron sources, simulations of the so-called dielectron cocktail are performed. In this thesis, dielectron cocktails in minimum bias pp collisions at p s = 7 TeV, p–Pb collisions at p sNN = 5.02 TeV and in central (0-10%) and semi-central (20-50%) Pb–Pb collisions at p sNN = 2.76 TeV at the LHC are presented.
The main focus of research in the field of high-energy heavy-ion physics is the study of the quark-gluon plasma (QGP). Topic of the present work is the measurement of electron-positron pairs (dielectrons), which grant direct access to some of the key properties of this state of matter, since after their formation they leave the hot and dense medium without significant interaction. In particular, the measurement of the initial QGP temperature is considered a "holy grail" of heavy-ion physics. Therefore, in addition to the analysis of existing data, a feasibility study has been conducted to determine to which extent this goal would be achievable by upgrading the ALICE experiment at CERN.
Dielectrons are produced during all stages of a heavy-ion collision, with their invariant mass reflecting the amount of energy available at the time of their formation. Dielectrons of highest mass are thus produced in the initial scatterings of the colliding nuclei by quark-antiquark annihilation. Correlated electron-positron pairs can also emerge from the decay chains of early-produced pairs of heavy-flavour (HF) particles. During the QGP stage and at the beginning of the hadronic phase, the system emits thermal radiation in the form of photons and dielectrons, which carry information about the medium temperature to the observer. In the final stage of the collision, decays of light-flavour (LF) hadrons produce additional contributions to the dielectron spectrum.
The present work is based on early data from the ALICE experiment recorded from lead-lead collisions at a center-of-mass energy of 2.76 TeV. Due to the limited amount of data, a focus is placed on achieving high efficiencies throughout the analysis. To this end, a special electron identification strategy is developed and a custom track selection applied, together resulting in a tenfold increase in pair efficiency. The dielectron spectrum is evaluated on a statistical basis, using a pair prefilter, which is optimized based on two signal quality criteria, to reduce the fraction of electrons and positrons from unwanted sources at minimum signal loss. In addition, an artifact of the track reconstruction is exploited to suppress pairs from photon conversions and to correct the dielectron yield for a contribution from different-conversion pairs. The main signal uncertainty is extracted from the deviation between results of 20 analysis settings and amounts to 20% in most of the studied kinematic range.
For comparison with the analysis results, a hadronic cocktail consisting of the LF and HF contributions is simulated, which can reasonably well describe the measured dielectron production, with a hint of an enhancement at low invariant mass. Two approaches to model the in-medium modification of the heavy-flavour are followed, resulting in up to 50% suppression, which creates some additional space for a thermal contribution at intermediate mass.
For a complete comparison between experimental data and theoretical expectation, two model calculations are consulted. The Thermal Fireball Model provides predictions for thermal dielectron radiation from the QGP and hadron gas. The data tends to be better described with these additional thermal contributions. For a comparison with a prediction by the UrQMD model, the HF component of the cocktail is subtracted from the data. This results in better agreement if the HF suppression by in-medium effects is taken into account.
The feasibility study in this work has served as a physical motivation for the ALICE upgrade for LHC Run 3. The precision with which the early temperature of the QGP can be determined via dielectrons is chosen as key observable. A multitude of individual contributions are merged into a fully modeled dielectron analysis. The resulting signal-to-background ratio represents some of the expected systematic uncertainties, while from the significance combined with the planned number of lead-lead collisions a realistic "measurement" with statistical fluctuations around the expected dielectron signal is generated using a Poisson sampling technique. Since the HF yield exceeds the QGP thermal radiation by about an order of magnitude, an additional analysis step exploiting the enhanced track reconstruction is introduced to reduce its contribution by up to a factor of five. The resulting reduction in pair efficiency is overcompensated by an up to hundred times higher collision rate. The entire cocktail is then subtracted from the sampled data to isolate the thermal excess yield. The final analysis of this spectrum shows that the inverse slope of the model prediction, which depends directly on the QGP temperature, can be reproduced within statistical and systematic uncertainties of about 10%.
The promising results of this study have contributed on the one hand to the realization of the ALICE upgrade and to a design decision for the new Inner Tracking System, and at the same time represent exciting predictions for upcoming measurements.
Das Feld der Hochenergie-Schwerionenforschung hat sich der Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas (QGP) gewidmet. Ein QGP ist ein sehr heißer und dichter Materiezustand, der kurz nach dem Urknall für einige Mikrosekunden das Universum füllte. Unter diesen extremen Bedingungen sind die fundamentalen Bausteine der Materie, die Quarks und Gluonen, quasi frei, also nicht in Hadronen eingeschlossen, wie es unter normalen Bedingungen der Fall ist. Hadronen sind Teilchen, die aus Quarks und Gluonen bestehen. Die bekanntesten Hadronen sind Protonen und Neutronen, die Bestandteile von Atomkernen, aus denen, zusammen mit Elektronen, die gesamte bekannte Materie aufgebaut ist.
Um ein QGP im Labor zu erzeugen, lässt man ultrarelativistische schwere Ionen, wie zum Beispiel Pb-208-Kerne, aufeinander prallen. Dies geschieht am CERN, dem größten Kernforschungszentrum der Welt. Der Teilchenbeschleuniger, welcher Protonen und Pb-Kerne beschleunigt und zur Kollision bringt, heißt Large Hadron Collider (LHC) und ist mit 27 km Umfang der größte der Welt. Bei einer einzigen Pb-Pb Kollision am LHC werden mehrere Tausend Teilchen und Antiteilchen erzeugt. Das dedizierte Experiment zur Untersuchung von Schwerionenkollisionen am LHC ist ALICE. ALICE ist mit mehreren Teilchendetektoren ausgerüstet, die es ermöglichen, tausende Teilchen gleichzeitig zu messen und zu identifizieren.
Unter den produzierten Teilchen befinden sich auch leichte Atomkerne, wenngleich diese nur sehr selten erzeugt werden. Die Anzahl der produzierten Teilchen pro Teilchensorte hängt nämlich von deren Masse ab. In Pb-Pb Kollisionen am LHC sinkt die Anzahl der produzierten (Anti)kerne exponentiell um einen Faktor 1/330 bei Hinzufügen jedes weiteren Nukleons. Die Menge an produzierten Teilchen pro Spezies stellt Informationen über den Produktionsmechanismus beim Übergang vom QGP zum Hadrongas zur Verfügung. Hierbei sind leichte (Anti)kerne von besonderem Interesse, da sie vergleichsweise groß sind und ihre Bindungsenergie bis zu zwei Größenordnungen kleiner ist als die Temperaturen, die bei der Erzeugung der Hadronen vorherrschen. Es ist bis heute noch nicht verstanden, wie leichte (Anti)kerne bei diesen Bedingungen erzeugt werden und überleben können.
Für diese Arbeit wurden ca. 270 Millionen Pb-Pb Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 5,02 TeV, die von ALICE im November 2018 aufgezeichnet wurden, analysiert. Es wurde die Produktion von (Anti)triton und (Anti)alpha untersucht. Wegen ihrer großen Masse werden beide Kerne sehr selten produziert, bei weitem nicht bei jeder Kollision. Antialpha ist der schwerste Antikern, der jemals gemessen wurde. Aufgrund dieser Seltenheit ist die Größe des zur Verfügung stehenden Datensatzes entscheidend. Es war möglich, das erste jemals gemessene Antialpha-Transversalimpulsspektrum zu extrahieren. Auch für (Anti)triton und Alpha wurden Transversalimpulsspektren bestimmt.
Die Ergebnisse wurden mit theoretischen Modellen und anderen ALICE Messungen verglichen.
Am Ende wird in einem Ausblick auf das kürzlich durchgeführte Upgrade der ALICE Spurendriftkammer (TPC) eingegangen. In der nächsten, bald startenden Datennahmeperiode wird der LHC seine Kollisionsrate erheblich erhöhen, was es ermöglichen wird, mehr als 100 mal so viele Daten wie bisher aufzuzeichnen. Hiervon werden die in dieser Arbeit beschriebenen (Anti)triton- und (Anti)alpha-Analysen beachtlich profitieren. Um mit den erheblich höheren Kollisionsraten zurecht zu kommen, mussten einige Detektoren, unter anderem die TPC, maßgeblich erneuert werden. In den ersten beiden Datennahmeperioden wurde die TPC mit Vieldrahtproportionalkammern betrieben. Diese sind allerdings viel zu langsam für die geplanten Kollisionsraten. Deshalb wurden sie im Jahr 2019, während einer langen Betriebspause des LHC, durch Quadrupel-GEM (Gas Electron Multiplier) Folien basierte Auslesekammern ersetzt, welche eine kontinuierliche Auslese der TPC ermöglichen. Da es sich um die erste jemals gebaute GEM TPC im Großformat handelt, war ein umfangreiches Forschungs- und Entwicklungs- (F&E) Programm notwendig, um die GEM Auslesekammern zu charakterisieren und zu testen. Im Rahmen dieses F&E Programms wurden am Anfang dieser Promotion systematische Messungen an einer kleinen Test TPC mit Quadrupel-GEM Auslese, die extra zu diesem Zweck gebaut worden war, durchgeführt. Hierbei wurde der Rückfluss der bei der Gasverstärkung erzeugten Ionen in das Driftvolumen der TPC und die Energieauflösung mit verschiedenen GEM Folien Typen und unterschiedlicher Anordnung gemessen. Das Ziel war, möglichst kleine Ionenrückflüsse bei möglichst guter Energieauflösung zu erreichen. Hierbei musste ein Kompromiss gefunden werden, da die beiden Größen sich gegenläufig verhalten. Es war jedoch möglich, mit mehreren GEM Konfigurationen Spannungseinstellungen zu identifizieren, bei denen beide Größen den gewünschten Anforderungen entsprachen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Messung von ψ(2S) Mesonen mit dem ALICE-Experiment am LHC untersucht. Das ψ(2S) gehört zur Familie der Charmonia und kann sowohl in Proton-Proton- als auch in Nukleon-Nukleon-Kollisionen erzeugt werden und ist daher ein wichiger Parameter in den Studien dieser. Die Rate, mit der ψ(2S) durch verschiedene Mechanismen erzeugt werden, liefert Informationen über den Ablauf der Kollision und ist ein hilfreicher Faktor bei der Suche nach dem Quark-Gluon Plasma. Da es sich beim ψ(2S) um ein Charmonium handelt, das in niedrigere Charmoniumzustände zerfallen kann, ist das Verständis des ψ(2S) ebenso für Studien anderer Charmonia, wie dem J/ψ(1S), relevant.
ω(782) und ϕ(1020) Mesonenproduktion durch Dielektronen in pp-Kollisionen bei √s = 7 TeV mit ALICE
(2013)
Die Niedrigmassendielektronen (Elektron-Positron Paare mit kleiner invarianten Masse) sind wichtige experimentelle Sonden, um die Eigenschaften des in ultra-relativistischen Schwerionenkollisionen erzeugten heißen und dichten Mediums zu untersuchen. Elektronen koppeln nicht an die starke Wechselwirkung, weshalb sie wichtige Informationen über die gesamten Kollisionsphasen geben. Die Zerfälle von ω(782) und ϕ(1020)-Mesonen in Dielektronen ermöglichen es, besonders wichtige Informationen über ihre In-Medium-Eigenschaften zu erhalten, da Proton-Proton (pp)-Kollisionen als mediumfreie Referenz angenommen werden. Außerdem sind pp-Kollisionen auch für sich genommen interessant, um die Teilchenproduktion im Energiebereich des LHC (Large Hadron Collider) zu untersuchen.
In dieser Analyse werden die Elektronen im mittleren Rapiditätsbereich von |η| < 0.8 mit ITS (Inner Tracking System), TPC (Time Projection Chamber) und TOF (Time of Flight) gemessen.
Die transversalen Impulsspektren der ω(782) und ϕ(1020)-Mesonen im e+e--Zerfallskanal in pp-Kollisionen bei p √s = 7 TeV werden gezeigt. Das transversale Impulsspektrum des ω(782)-Mesons im e+e--Zerfallskanal wird mit den pT-Spektren in den µ+µ--und in den π0π+π--Zerfallskanälen verglichen, während das pT-Spektrum vom ϕ(1020)-Meson im e+e--Zerfallskanal mit den pT-Spektren in µ+µ-- und K+K--Zerfallskanälen verglichen wird.
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.
Das CBM-Experiment an der Forschungseinrichtung FAIR in Darmstadt wird in Zukunft das Phasendiagramm der QCD im Bereich von niedrigen bis moderaten Temperaturen und hohen Baryondichten untersuchen und dabei mit hadronischen und elektromagnetischen Sonden eine Vielzahl an Observablen messen. Um Elektronen und Positronen von geladenen Pionen effizient zu unterscheiden werden mehrere Lagen von Übergangsstrahlungsdetektoren auf Basis von Vieldrahtproportionalkammern verwendet. Bei den hohen Reaktionsraten des CBM-Experiments von bis zu 10MHz am target sind schnelle Detektoren notwendig um die vielen Teilchen mit einer hohen zeitlichen Auflösung nachzuweisen. Aus diesem Grund werden am IKF der Goethe-Universität dünne MWPCs ohne zusätzliche Driftregion entwickelt, für die ein Eintrittsfenster aus dünner Mylarfolie mit einer kleinen Absorptionswahrscheinlichkeit der TR-Photonen in Betracht gezogen wird. Bei großen Detektoren beult sich ein dünnes Folienfenster bereits bei Druckunterschieden von einigen Mikrobar aus, was eine Variation der Gasverstärkung zur Folge hat.
Mit Garfield-Simulationen wurde die relative Änderung der Gasverstärkung in Abhängigkeit der Ausbeulung des Eintrittsfensters für Detektoren der Größe 4+4 mm, 5+5mm und 6+6mm mit den Gasgemischen Xe(80%)/CO2(20%) und Xe(90%)/CO2(10%) bestimmt. Um eine Gain-Stabilität von Δ,G = +/- 10% zu gewährleisten, beträgt die maximale Ausbeulung des Folienfensters durchschnittlich 120 μm +/- 5 μm bei der 4+4mm Kammer, 137 μm +/- 5 μm bei der 5+5mm Kammer und 154 μm +/- 6 μm bei der 6+6mm Kammer unabhängig vom Gasgemisch. Diese Ergebnisse stellen eine große Herausforderung für die Detektorentwicklung und -konstruktion dar. Eine Möglichkeit die Ausbeulung des Folienfensters zu minimieren ist ein geeigneter Aufbau, der die Folie verstärkt. Eine weitere Herangehensweise ist die Entwicklung einer Korrekturmethode, die die Gasverstärkung bzw. die gemessenen Signale abhängig von verschiedenen Drücken, Druckunterschieden und der damit verbundenen Ausbeulung des Eintrittsfensters korrigiert, wodurch die Signale reproduzierbar und vergleichbar werden.
Weiterhin wurden die Elektron-Driftzeiten für die drei Kammergeometrien simuliert um eine Aussage über die Zeitauflösung des Detektors zu machen. Die Driftzeiten unter Verwendung eines Xe(90%)/CO2(10%) Gasgemischs sind dabei grundsätzlich größer als mit Xe(80%)/CO2(20%) und führen zu Zeitauflösungen von Δt ~ 40 ns bzw. Δt ~ 30 ns. Die maximalen Driftzeiten am äußeren Rand der Detektoren sind für alle Detektorgeometrien mit beiden Gasgemischen sehr klein im Vergleich zu den erwarteten durchschnittlichen Teilchenraten. Daraus folgt, dass die Zeitauflösung der untersuchten Detektoren die Erwartungen mit Hinblick auf die Reaktionsraten des CBM-Experiments erfüllt.
Erwärmt man Eis, so brechen die Molekülbindungen auf und bei einer kritischen Temperatur von 0°C entsteht durch einen Phasenübergang flüssiges Wasser. Dies ist wohl bekannt und das Phasendiagramm, sowie die Anomalie von Wasser ein bekanntes Hilfsmittel in Physik und Chemie. Doch was passiert, wenn man Kernmaterie erhitzt? Kann diese auch verschiedene Aggregatzustände annehmen? Physiker erwarten, dass ab einer definierten kritischen Temperatur auch die Bindungen zwischen den kleinsten Teilchen unserer Materie, den Quarks, aufbrechen und das bis dahin bestehende Hadronengas in ein Quark-Gluon-Plasma übergeht. In Experimenten auf der ganzen Welt sollen die Eigenschaften des Quark-Gluon- Plasmas und der Phasenübergang der Materie untersucht werden. Daraus möchte man ein Phasendiagramm für die hadronische Materie entwickeln (Abb. 1). In verschiedenen Experimenten werden die unterschiedlichen Stationen des Phasendiagramms abgelaufen. Die laufenden Projekte an den großen Teilchenbeschleuniger Anlagen am LHC (Large Hadron Collider) am CERN (Conseil Européen pour la Abbildung 1: Das Phasendiagramm stark wechselwirkender Materie. Aufgetragen ist die Temperatur gegen die Baryonendichte. Der braune Bereich stellt den Übergangsbereich zwischen Hadronengas und Quark-Gluon-Plasma dar [ZAM]. Recherche Nucléaire) und am RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) in Brookhaven untersuchen das Phasendiagramm bei hohen Temperaturen und geringen Dichten. An der neuen, noch im Aufbau befindlichen Beschleunigeranlage FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) soll nun, im Rahmen des CBM-Experiment (Compressed Baryonic Matter), das Phasendiagramm bei hohen baryonischen Dichten und geringeren Temperaturen untersucht werden. Dafür werden spezielle Detektorkomplexe entwickelt. Diese werden benötigt, um herauszufinden, wann ein Quark-Gluon-Plasma vorliegt. Hierbei ist die Identifizierung von Elektronen von großer Bedeutung. Beim CBM-Experiment wird zur Unterscheidung zwischen Pionen und Elektronen unter anderem ein Transition Radiation Detektor (TRD) verwendet. (Kapitel 4) Dessen Eingangsfenster besteht aus einer dünnen Mylar®-Folie, welche empfindlich auf Druckschwankungen reagiert. Dies führt zu einer Veränderung des Kammervolumens, was zu einer Variation der Gasverstärkung und des daraus gewonnenen Signals führt. Die Auswirkungen von Druckschwankungen auf das Eingangsfenster des CBM-TRDs sollen in der folgenden Arbeit anhand von Simulationen (Kapitel 5) sowie anhand von Messungen (Kapitel 6) untersucht und verglichen werden. Zunächst wird jedoch ein Überblick der Grundlagen gegeben.
Particle collisions provide insight into the structure of matter and the interaction of its constituents. Furthermore, they also allow a better understanding of the processes involved in the formation of the universe. To cover these diverse areas, it is necessary to study different observables and collision systems. A particular challenge is to find a suitable measurable observable for a theoretically meaningful variable and to develop a measurement process taking into account the experiment. The analyses of particle collisions in this thesis cover many of the challenges and objectives mentioned above. The focus of the work is the analysis of isolated photons at an energy of √s = 7 TeV. In addition, the work also includes measurements of the average transverse momentum in Pb-Pb collisions at an energy of √s = 2.76 TeV.
Apart from the collision system, the two analyses complement each other in other respects. The measurement of isolated photons represents the first measurement of this observable with ALICE and thus lays the foundation for further measurements at other collision systems and energies. The measurement of the mean transverse momentum, on the other hand, is based on an established measurement and thus allows the comparison of different collision systems. Likewise, the physical processes studied differ. With the measurement of isolated photons, hard scattering processes in the collisions can be investigated, while the average transverse momentum allows a description of the underlying event.
When measuring isolated photons, it should be noted that isolated photons are a measurable observable that cannot be assigned to an explicit physical process. The isolation criterion used in the analysis serves to increase the fraction of prompt photons from 2→2 processes. These photons can contribute to a better understanding of the parton density function (PDF) of gluons, as well as be used as a reference for perturbative QCD calculations.
Of particular importance for the analysis are the cluster shape and the energy within a certain radius around the potential photon. The combination of these two quantities allows determining the background using the ABCD method established by CDF and ATLAS. The result obtained in this way extends the previous measurements of the cross-section of isolated photons at the LHC to lower transverse momenta. Similarly, the previous measurements of the cross-section as a function of the scale variable xT are extended to lower values.
The main focus of the measurement of the average transverse momentum of charged particles ⟨pT⟩ is to compare the measurement for the pp, p-Pb, and Pb-Pb collision systems. To obtain a direct comparison between the different collision systems, ⟨pT ⟩ is measured against the true multiplicity nch. Since the multiplicity range of pp and p-Pb collisions is limited, the analysis in Pb-Pb collisions is restricted to nch = 100. This range corresponds to peripheral Pb-Pb collisions. A particular focus of the analysis is the determination and reduction of the electromagnetic background in peripheral Pb-Pb collisions and the determination of nch based on the measured multiplicity nacc . The different collision systems show similar behavior with increasing multiplicity. The steepest increase occurs at low multiplicities and changes for all collision systems at nch = 14. With higher multiplicities, the slope reduces further, with the effect being most pronounced in Pb-Pb collisions.
Das Experiment ALICE (A Large Ion Collider Experiment) am CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) LHC (Large Hadron Collider) fokussiert sich auf die Untersuchung stark wechselwirkender Materie unter extremen Bedingungen. Solche Bedingungen existierten wenige Mikrosekunden nach dem Urknall, als die Temperaturen so hoch waren, dass Partonen (Quarks und Gluonen) nicht zu farbneutralen Hadronen gebunden waren. In solch einem Quark-Gluon-Plasma können sich die Partonen frei bewegen, wobei sie allerdings mit anderen Partonen aus dem Medium stark wechselwirken. Am LHC werden Bleikerne auf ultra-relativistische Energien von bis zu 2.68 TeV beschleunigt und zur Kollision gebracht, wobei für weniger als 10 fm/c ein QGP entsteht, das schnell expandiert. Die Partonen hadronisieren, wenn das QGP sich auf Temperaturen von weniger als der Phasenübergangstemperatur von ≈155MeV abkühlt. Die finalen Teilchen- und Impulsverteilungen werden werden vom ALICE Detektor gemessen und geben Aufschluss auf elementare Prozesse im QGP.
Die TPC (Time Projection Chamber ) ist eines der wichtigsten Detektorsysteme von ALICE. Sie trägt maßgeblich zur Rekonstruktion von Teilchenspuren und zur Identifikation der Teilchensorten bei mittleren Rapiditäten bei. Die TPC ist eine große zylindrische Spurendriftkammer und besteht aus einem 88mˆ3 großen Gasvolumen, das von der zentralen Hochspannungselektrode in zwei Seiten geteilt wird. Durchquert ein Teilchen das Gasvolumen, ionisiert es entlang seiner Spur eine spezifische Menge von Gasatomen. Die Ionisationselektronen driften entlang des extrem homogenen elektrischen Feldes zu den Auslesekammern an den Endkappen auf beiden Seiten der TPC. Die Messung der Position und der Menge der Ionisationselektronen erlaubt die Rekonstruktion der Teilchenspur sowie, in Kombination mit der Impulsmessungen über die Krümmung der Teilchenspur im Magnetfeld, die Bestimmung der Teilchensorte über den spezifischen Energieverlust pro Wegstrecke im Gas. Das Gasvolumen der TPC war in LHC Run 1 (2010–2013) mit Ne-CO_2 (90-10) gefüllt. Die Gasmischung wurde zu Ar-CO_2 (88-12) für Run 2 (2015–2018) geändert. Als Auslesekammern wurden Vieldrahtproportionalkammern verwendet, die aus einer segmentierten Ausleseebene, einer Anodendrahtebene, einer Kathodendrahtebene und einem Gating-Grid (GG) bestehen. Das GG is eine zusätzliche Drahtebene, die durch zwei verschiedene Spannungseinstellungen transparent oder undurchlässig für Elektronen und positive Ionen geschaltet werden kann.
In den ersten Daten von Run 2 bei hohen Interaktionsraten wurden große Verzerrungen der gemessenen Spurpunkte beobachtet, die auf Grund von Verzerrungen des Driftfeldes auftreten und nicht von Daten aus Run 1 bekannt waren. Diese Verzerrungen treten nur sehr lokal an den Grenzen von manchen der inneren Auslesekammern (IROCs) auf. Zudem wurden auch große Verzerrungen in einer (C06) der äußeren Auslesekammern (OROCs) festgestellt, die sich bei einem bestimmten Radius über die ganze Breite der Kammer erstrecken. Die Ergebnisse dieser Arbeit befassen sich mit der Untersuchung jener Verzerrungen und ihrer Ursache, sowie mit der Entwicklung von Strategien um die Verzerrungen zu minimieren.
Messungen der Verzerrungen in den IROCs und Vergleiche mit Simulationen lassen darauf schließen, dass die Verzerrungen von positiver Raumladung hervorgerufen werden, die durch Gasverstärkung an sehr begrenzten Regionen der Auslesekammern entsteht und sich durch das Driftvolumen bewegt. Es werden charakteristische Abhängigkeiten von der Interaktionsrate sowie systematische Veränderungen bei Umkehrung der Orientierung des Magnetfeldes gemessen. Eine erneute Analyse von Run 1 Daten mit den Methoden aus Run 2 zeigt, dass die Verzerrungen bereits in Run 1 auftraten, jedoch durch die Ne-Gasmischung und niedrigere Interaktionsraten um eine Größenordnung kleiner waren. Neue Daten aus Run 2, für die die Gasmischung zeitweise wieder von Ar-CO_2 zu Ne-CO_2- N_2 geändert wurde, bestätigen die Ergebnisse der Run 1 Datenanalyse. Der Ursprung der Raumladung wird systematisch eingegrenzt. Es werden einzelne IROCs identifiziert, an deren Anodendrähten die Raumladung entsteht. Physikalische Modelle ermöglichen es, die Entstehung der Raumladung auf das Volumen zurückzuführen, das sich zwischen zwei IROCs befindet. Damit besteht die Vermutung, dass einzelne Spitzen von Anodendrähten am äußeren Rand dieser IROCs in das Gasvolumen hineinragen und somit hohe elektrische Felder erzeugen, an denen Gasverstärkung stattfindet. Die positiven Ionen können dann ungehindert in das Driftvolumen gelangen. Um diesen Effekt zu unterdrücken, wird das Potential der Cover-Elektroden angepasst, die sich auf den Befestigungsvorrichtungen der Drahtebenen an den Kammerrändern befinden. Dadurch kann die Menge von Ionisationselektronen, die in das Volumen zwischen zwei IROCs hineindriftet und vervielfacht wird, eingeschränkt werden. Über elektro-statische Simulationen und Messungen wird eine Einstellung für das Cover-Elektroden-Potential gefunden, mit der die Verzerrungen auf 30 % reduziert werden können. Die Verzerrungen in OROC C06 entstehen durch positive Ionen, die aus der Verstärkungsregion in das Driftvolumen gelangen, da an dieser bestimmten Stelle zwei aufeinanderfolgende GG-Drähte den Kontakt verloren haben. Die Verzerrungen werden um mehr als einen Faktor 3 reduziert, indem die Hochspannung der Anodendrähte um 50 V und somit der Gasverstärkungsfaktor um einen Faktor 2 verringert wird und indem das Potential der noch funktionierenden GG-Drähte erhöht wird.
Zusammenfassend konnten die lokalen Raumladungsverzerrungen für die letzte Pb−Pb Strahlzeit von Run 2 auf weniger als 1cm bei den höchsten Interaktionsraten verringert werden. Zudem wurde der Anteil des von Raumladungsverzerrungen betroffenen Volumens der TPC signifikant verringert, sodass die ursprüngliche Auflösung der Spurrekonstruktion wieder erreicht werden konnte.
A new era in experimental nuclear physics has begun with the start-up of the Large Hadron Collider at CERN and its dedicated heavy-ion detector system ALICE. Measuring the highest energy density ever produced in nucleus-nucleus collisions, the detector has been designed to study the properties of the created hot and dense medium, assumed to be a Quark-Gluon Plasma.
Comprised of 18 high granularity sub-detectors, ALICE delivers data from a few million electronic channels of proton-proton and heavy-ion collisions.
The produced data volume can reach up to 26 GByte/s for central Pb–Pb
collisions at design luminosity of L = 1027 cm−2 s−1 , challenging not only the data storage, but also the physics analysis. A High-Level Trigger (HLT) has been built and commissioned to reduce that amount of data to a storable value prior to archiving with the means of data filtering and compression without the loss of physics information. Implemented as a large high performance compute cluster, the HLT is able to perform a full reconstruction of all events at the time of data-taking, which allows to trigger, based on the information of a complete event. Rare physics probes, with high transverse momentum, can be identified and selected to enhance the overall physics reach of the experiment.
The commissioning of the HLT is at the center of this thesis. Being deeply embedded in the ALICE data path and, therefore, interfacing all other ALICE subsystems, this commissioning imposed not only a major challenge, but also a massive coordination effort, which was completed with the first proton-proton collisions reconstructed by the HLT. Furthermore, this thesis is completed with the study and implementation of on-line high transverse momentum triggers.
The main purpose of the Transition Radiation Detector (TRD) located in the central barrel of ALICE (A Large Ion Collider Experiment) is electron identification for separation from pions at momenta pt > 1 GeV/c, since in this momentum range the measurements of the specific energy loss (dE/dx) of the Time Projection Chamber (TPC) is no longer sufficient. Furthermore, it provides a fast trigger for high transverse momentum charged particles (pt > 3 GeV/c) and makes a significant contribution to the optimization of the tracking of reaction products in heavy-ion collisions. Its whole setup comprises 18 supermodules out of which 13 are presently operational and mounted cylindrically around the beam axis of the Large Hadron Collider (LHC). A supermodule contains either 30 or 24 chambers, each consisting of a radiator for transition radiation creation, a drift and an amplifying region followed by the read-out electronics. In total, the TRD is an array of 522 chambers operated with about 28 m3 of a Xe-CO2 [85-15%] gas mixture. During the work of this thesis, the testing, commissioning, operation and maintenance of detector parts, the gas system and its online quality monitor, improvements on the detector control user-interface and studies about a new pre-trigger module for data read-out have been accomplished. The TRD gas system mixes, distributes and circulates the operational gas mixture through the detector. Its overall optimization has been achieved by minimizing gas leakage, surveying, controlling, maintaining and continuously improving it as well as designing and carrying out upgrades. Gas quality monitors of the type \GOOFIE" (Gas prOportional cOunter For drIfting Electrons) can be used in gaseous detectors as on-line monitors of the electron drift velocity, gain and gas properties. One of these devices has been implemented within the TRD gas system, while another one surveys the gas of the TPC. Both devices had to be adapted to the specific needs of the detectors, were under constant surveillance and control, and needed to be further developed on both hardware and software side. To improve the operation of the TRD, modifications on its DCS software (Detector Control System) used for monitoring, controlling, operating, regulating and configuring of hardware and computing devices have been carried out. The DCS is designed to enable an operator to interact with equipment through user interfaces that display the information from the system. The main focus of this work was laid on the optimization of the usability and design of the user interface. The front-end electronics of the TRD require an early start signal (\pre-trigger") from the fast forward detectors or the Time-Of-Flight detector during the running periods. The realization of a new hardware concept for the read-out of the TRD pre-trigger system has been studied and first tests were performed. This new module called PIMDDL (Pre-trigger Interface Module Detector Data Link) is meant to acquire all data necessary to simulate and predict the full pre-trigger functionality, and to verify its proper operation. Furthermore, it shall provide all functionalities of the so-called Control Box Bottom as well as keep the functionalities of the already existing PIM (Pre-trigger Interface Module) in order to combine and replace these two modules in the future.
Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung eines neuen Prototypen für den Übergangsstrahlungsdetektor im zukünftigen CBM-Experiment. Da der TRD zur Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas im Bereich hoher Baryonendichten bei hohen Kollisionsraten besonders schnell sein muss, wurde ein Prototyp mit einem kleinen Gasvolumen ohne Driftbereich entwickelt. Die Geometrie ist jedoch mit einer Reduzierung der Stabilität der Gasverstärkung verbunden, denn das elektrische Feld in der Kammer ist bei den geringen Abständen von Verformungen des dünnen Kathodenfensters abhängig. Daher wurde eine vielversprechende, veränderte Drahtgeometrie eingeführt: zwischen den Anodendrähten wurden zusätzliche Felddrähte positioniert, um das elektrische Feld im Bereich der Gasverstärkung zu stabilisieren.
Der neue Prototyp mit alternierender Hochspanngung und mit einer Dicke von 8 mm sowie einer aktiven Fläche von 15 x 15 cm2 wurde im Labor mit einer 55Fe-Quelle getestet.
Dazu wurden Strommessungen und eine spektrale Analyse für 25 verschiedene Positionen der Quelle vor der Kammer durchgeführt, sowohl mit der neuen Kammer als auch mit einer Standardkammer als Referenz. Die mit der neuen Kammer verbundenen positiven Erwartungen konnten durchweg bestätigt werden. Sowohl für die Strom- als auch für Energiemessung konnte eine signifikante Verbesserung der Stabilität der Gasverstärkung festgestellt werden. Variationen von über 60 % über die verschiedenen Messpunkte für die Standardkammer konnten mit der Kammer mit alternierender Hochspannung auf unter 15 % reduziert werden. Auch bei einer Variation des differentiellen Drucks, der mit der Ausdehnung des Folienfensters verbunden ist, kann das elektrische Feldes mithilfe der Felddrähte stabilisiert werden. Ebenso kann eine Analyse der Energieauflösung für die mit den Prototypen aufgezeichneten Spektren den stabilisierenden Effekt bestätigen. Eine zusätzliche Verbesserung durch das Anlegen einer negativen Spannung an den Felddrähten konnte allerdings nicht beobachtet werden. Ebenso zeigten die Messungen mit einer zweiten Kammer mit asymmetrischer Geometrie, das heißt die Drahtebene wurde in Richtung der hinteren Kathode verschoben, keine weitere Stabilisierung. Messungen der an den Felddrähten influenzierten Ströme zeigen, dass diese etwa bei einem Drittel der Anodenströme liegen, wobei sie für eine Erhöhung der Felddrahtspannung ebenso wie für die Messung mit der asymmetrischen Kammer leicht ansteigen. Die Ströme an den Felddrähten sind mit der Bewegung der Ionen in der Kammer verbunden, die das elektrische Feld stören können. Durch die Einführung der Felddrähte wird sich ein Teil der Ionen zu diesen bewegen, anstelle den Weg durch die Kammer bis zu den Kathoden zurückzulegen.
Die positiven Ergebnisse für die Kammer mit alternierenden Drähten sind nun Ausgangspunkt für weitere Schritte. Größere Kammern mit einer Fläche von 60 x 60 cm2, wie sie auch im finalen Experiment eingesetzt werden, wurden bereits gebaut und in einem gemischten Elektron-Pion-Strahl am PS (Protonsynchrotron) und mit einem Bleitarget am SPS (Super-Proton Synchrotron) am CERN getestet. Dabei wurde die Dicke des Gasvolumens nochmals – auf 7 mm – reduziert, was die Schnelligkeit des Detektors weiter erhöht, allerdings auch die Stabilität der Gasverstärkung wieder auf die Probe stellt. Die Daten werden derzeit ausgewertet. Eine weitere Analyse auf Basis der Padauslese im Labor ist in Planung. Hierbei ist insbesondere die Verteilung eines Signals über die Pads (Pad-Response-Funktion) von Bedeutung, wobei diese von der Bewegung der Ionen und damit von der Geometrie des elektrischen Feldes beeinflusst wird. Die Einführung der Felddrähte spielt hier eine wesentliche Rolle; insbesondere beträgt der Drahtabständ zwischen den Andodendrähten nun 5 mm, während die Abstände bei den vorhergehenden Generationen bei 2-3 mm lagen.
Auch die Signalform ist von Interesse. Die derzeit ebenfalls in Entwicklung befindliche Ausleseelektronik und die Algorithmen zur Datenverarbeitung sind auf die bekannte Signalform eines Standardprototypen ausgerichtet. Eine veränderte Form müsste entsprechend berücksichtigt werden, um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten. Die Auswertungen in dieser Arbeit zeigen, dass sich die Signalform grundsätzlich nicht von der des Standardprototypen unterscheidet. Wichtig sind auch die Driftzeiten für Elektronen aus der Lawine. Sie spielen eine entscheidende Rolle für die die Schnelligkeit des Detektors. Mit der Einführung der Felddrähte liegen sie zwar zum großen Teil nach wie vor im Bereich eines Standardprototyen mit entsprechender Dicke des Gasvolumens von 8 mm bei bis zu 150 ns, jedoch folgt dann ein sehr langsamer Abfall mit Elektrondriftzeiten von bis zu 450 ns [47]. Eine Verbesserung ist durch ein kleineres Gasvolumen möglich, für einen Anoden-Kathoden-Abstand von 3 mm sinken die maximalen Driftzeiten auf 300 ns. Eine andere Alternative ist das Anlegen einer negativen Spannung an das Eintrittsfenster.
Nuclear matter, that takes the form of protons and neutrons under normal conditions, is subject to a phase transition at high temperatures and densities, liberating the quarks and gluons that are usually confined in nucleons and creating a medium of free partons: the Quark-Gluon-Plasma. It is generally believed that this state of matter can be created in relativistic collisions of heavy nuclei. The study of the medium created in these collisions is the subject of heavy-ion physics. One topic within this field are particles with high transverse momentum, that are created in initial hard collisions between partons of the incoming nuclei. The energetic partons lose energy due to interactions with the medium before they fragment into a jet of hadrons. Due to momentum conservation, these jets are usually created as back-to-back pairs, or less commonly as three-jet or photon-jet events, where a single jet is balanced by a hard photon. The energy loss can be measured using correlations between particles with high transverse momenta. A trigger particle is selected with very high transversemomentum and the distribution of the azimuthal angle of associated particles in the same event is studied, relative to the azimuth of the trigger particle.These azimuthal correlations show a peak for opening angles around 0 from particles selected from the same jet, and a second peak at opening angles around 180 degrees from back-to-back di-jets. Random combinations with the underlying event generate a flat background, extending over the full range of opening angles. The STAR experiment observed a modification of these correlations in central Au+Au collisions, where trigger particles with 4GeV < pT(trigger) < 6GeV and associated particles with 2GeV < pT(trigger) < 4GeV were selected. A strong suppression has been observed for away-side correlations in central Au+Au collisions, relative to p+p, d+Au and peripheral Au+Au data. This can be explained by assuming two partons going in opposite directions, where at least one has to travel a large distance through the medium, causing energy loss and effectively removing the event from the analysis. For near-side correlations, no significant modification has been observed, which can be explained by surface emission, assuming that the observed jets have travelled only a short distance in themedium, not leaving enough time for interactions with the medium. Both trigger- and associated particles in a correlation analysis with charged hadrons are subject to modifications due to the medium. This can be avoided by using photon-jet events instead of di-jets, because the photon does not interact with the medium and therefore provides the best available measure of the properties of the opposite jet in the presence of the underlying event. This thesis studies azimuthal correlations between regions of high energy deposition in the electro-magnetic calorimeter as trigger- and charged tracks as associated particles. The data sample had been enriched by online event selection, allowing for the selection of trigger particles with a transverse energy of more than 10GeV and associated particles with more than 2,3 or 4 GeV. The away-side yield per trigger particle is strongly suppressed like in correlations between charged particles. The near-side yield is also reduced by about a factor two, clearly different from charged correlations. The trigger particles are a mixture of photon pairs from the decays of neutral pions and single photons, mainly from photon-jet events, with small contributions from other hadron decays and fragmentation photons. Pythia simulations predict a ratio of neutral pions to prompt photons of 3.5:1 in p+p collisions with the same cuts as in the presented analysis. Single particle suppression further reduces this ratio in central Au_Au collisions, down to about 0.8:1, indicating that the majority of trigger particles in central Au+Au collisions are prompt photons. The increasing fraction of prompt photon triggers without an accompanying jet and therefore zero associated yield reduces the average yield per trigger particle. The magnitude of the observed effect agrees well with the expectation from Pythia simulations and the assumption of a single particle suppression by a factor 4-5. An analysis of away-side correlations is more difficult, because both photon-jet and di-jet events contribute. The aim is the separation of these two contributions. As a clear separation is not possible with the available dataset, a comparison with two different scenarios is given, where a surprisingly small suppression by only a factor of about 5 is favoured for both dijet- and photon-jet-correlations. A separate measurement of both contributions will be possible by a shower-shape analysis with the EM calorimeter or a comparison with charged correlations in the same kinematic region.
Während den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall glaubt man, dass unser Universum aus einer heißen, dichten und stark wechselwirkenden Materie bestanden haben soll, welche man das Quark-Gluonen-Plasma (QGP) nennt.
In diesem Medium sind die elementaren Bausteine der Materie, die Quarks und die Gluonen, nicht mehr in Hadronen gebunden, sondern können sich stattdessen wie quasi-freie Teilchen verhalten.
Für die ALICE Kollaboration an CERN's Large Hadron Collider (LHC) ist die Untersuchung dieses Mediums eines der Hauptziele. Um dieses Medium im Labor zu erzeugen, werden Protonen und Nukleonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und anschließend zur Kollision gebracht. Dabei werden Schwerpunktsenergien von bis zu 13 TeV bei Proton-Proton (pp) Kollisionen und bis zu 5.02 TeV bei Blei-Blei (Pb--Pb) Kollisionen erreicht.
Bei solchen hochenergetischen Kollisionen werden die kritischen Werte der Energiedichte und Temperatur von jeweils ungefähr 1 GeV/c und undgefähr 155 MeV überschritten, welche mithilfe von "lattice QCD" bestimmt wurden. Sie bieten daher die perfekten Voraussetzungen für einen Phasenübergang von normaler Materie zu einem QGP.
Die Entwicklung eines solchen Mediums, beginnend bei der eigentlichen Kollision, gefolgt von der Ausbildung des Plasmas und der letztendlichen Hadronisierung, kann jedoch nicht direkt untersucht werden, da das Plasma eine extrem kurze Lebensdauer hat.
Die Studien die das QGP untersuchen möchten, müssen sich deshalb auf Teilchenmessungen und deren Veränderung aufgrund von Einflüssen durch das Medium beschränken.
Es ist noch nicht definitiv geklärt, ob sich ein QGP nur in Kollisionen schwerer Ionen bildet, oder ob dies auch in kleineren Kollisionssystemen wie Proton-Proton oder Proton-Blei der Fall ist.
Damit in dieser Thesis Einschränkungen bezüglich einer möglichen Erzeugung eines mini-GQP in kleinen Kollisionssystemen gemacht werden kann, wird der Fokus auf Messungen von neutralen Pionen und Eta Mesonen mit dem ALICE Detektor am CERN LHC gesetzt. Hierfür wird in einem Referenzsystem von Proton-Proton Kollisionen bei sqrt(s)=8 TeV und in einem Proton-Blei (p--Pb) System bei sqrt(sNN)=8.16 TeV, welches eine nukleare Modifikation erfährt, gemessen und die Ergebnisse verglichen.
Da in Proton-Proton Kollisionen die Bildung eines QGP, aufgrund zu geringer Energiedichte, nicht erwartet wird, dient eine Messung in diesem System als Messbasis, um Effekte der Kollision selbst von Effekten nach der Kollision zu separieren, welche die Teilchenproduktion beeinflussen.
Teilchen können zusätzlich zu dem QGP auch mit kalter Kernmaterie interagieren, was sich in asymmetrischen Proton-Blei Kollisionen testen lässt. In diesem Kollisionssystem wird größtenfalls ein vergleichsweise kleines QGP gebildet, wohingegen das Blei Ion selbst als kalte Kernmaterie agieren kann.
Zusätzlich zu den Mesonenmessungen wird in dieser Thesis auch die Erzeugung von direkten Photonen bei niedrigen Transversalimpulsen (pT) in multiplizitätsabhängigen p--Pb Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von sNN=5.02 TeV gemessen, welche als direkte Probe, sowie als charakteristisches Signal des QGP gilt.
Die neutralen Pionen, welche in dieser Thesis gemessen werden, kann man als einen Überlagerungszustand der zwei leichtesten Quarksorten, dem "up" (u) und dem "down" (d) Quark, sowie deren entsprechenden Anti-Teilchen verstehen.
Das eta meson hingegen hat einen zusätzlichen Anteil des "strange" Quarks und eine resultierende höhere Masse.
Quarks sind Teil des Standardmodells der Teilchenphysik, welches die Elementarteilchen und die zwischen ihnen wirkenden Elementarkräfte, ausgeübt durch Bosonen, beschreibt.
Das Modell umfasst insgesamt sechs Quarks, welche sich durch ihre Masse und Ladung unterscheiden und als Grundbestandteil von gebundenen Zuständen, sogenannten Hadronen, fungieren.
Die "up" und "down" Quarks gelten hierbei als die leichtesten Quarks und kommen daher am häufigsten in der Natur vor. Das bekannteste Beipiel stellen hier die allgemein bekannten Protonen (uud) und Neutronen (udd) dar, welche die Grundkomponenten von Nukleonen sind.
Die restlichen Quarks tragen eine deutlich höhere Masse und haben daher eine große Tendenz, sich in leichtere Quarks umzuwandeln, wodurch ihre Lebensdauer sehr gering ist. Die "top" und "bottom" Quarks, welche die Schwersten sind, können daher nicht in gewöhnlicher Materie gefunden werden.
Sie können jedoch experimentell durch hoch energetische Teilchenkollisionen erzeugt werden und indirekt über ihre Zerfallsprodukte nachgewiesen werden.
Quarks tragen eine elektrische Ladung von entweder 1/3 oder 2/3, sowie eine Farbladung, wobei Letztere verantwortlich für ihre Bindung in Hadronen ist.
Hadronen bestehen entweder aus drei Quarks, dann werden sie Baryonen genannt, oder aus einem Quark-Antiquark Paar, welches Meson genannt wird.
Diese gebundenen Zustände erfüllen eine insgesamt neutrale Farbladung, sowie eine vollzählige elektrische Ladung.
Des Weiteren gibt es auch exotische Penta-Quark Zustände, welche aus vier Quarks und einem Antiquark bestehen und bereits experimentell nachgewiesen wurden.
Aufgrund der starken Wechselwirkung, welche durch Gluonen vermittelt wird, können Quarks nicht einzeln beobachtet werden.
...
In dieser Arbeit wurden die ersten Schritte unternommen um Elektronen aus den Zerfällen schwerer Quarks zu messen. Im Folgenden wird zunächst ein Überblick zum physikalische Hintergrund gegeben und der elliptische Fluss als Sonde zur Untersuchung des QGP motiviert. Anschließend werden der LHC und ALICE näher beleuchtet und die einzelnen Detektorsysteme, die für diese Analyse wichtig sind, vorgestellt. Im weiteren wird eine Methode zur Identifizierung von Elektronen vorgestellt und die Kontamination des Elektronensignals durch Hadronen bestimmt. Abschließend wird der elliptische Fluss eines von Hadronen bereinigten Inklusiv-Elektronen Spektrums bestimmt und ein Ausblick auf weitere Analyseschritte gegeben.
Die Arbeit behandelt die Messung von Photonen mit Teilchendetektoren, die auf digitalen Silizium-Pixelsensoren basieren. Diskutiert werden zwei wesentliche Schritte in den Upgrade-Programmen des ALICE-Experiments am CERN-LHC:
1. FOCAL-Detektor-Upgrade (2027): Untersuchung der Detektorantwort des elektromagnetischen Pixel-Kalorimeters EPICAL-2 und der Form elektromagnetischer Schauer durch Teststrahl-Messungen und Monte Carlo Simulationen.
2. ALICE 3-Upgrade (2035): Simulationsstudien zum Untergrund in der Messung von Photonen mit sehr kleinem Transversalimpuls.
Teil 1: Performance des elektromagnetischen Pixel-Kalorimeters EPICAL-2
Detektordesign und Testmessungen: EPICAL-2, ein SiW-Sandwich-Design-Kalorimeter mit ALPIDE Sensoren, besitzt eine Tiefe von ca. 20 Strahlungslängen und etwa 25 Millionen Pixel. Testmessungen wurden an der Universität Utrecht (kosmische Myonen) sowie am DESY und CERN-SPS (Elektronen) durchgeführt.
Simulation und Validierung: Das EPICAL-2 wird im Simulationspaket Allpix2 implementiert, um die Testmessungen zu validieren und das Detektorverhalten zu untersuchen. Systematische Variationen bestätigen die Stabilität und Reproduzierbarkeit der Simulation.
Datenaufbereitung und Schauerprofile: Im Rahmen der Datenanalyse werden fehlerhafte Pixel ausgeschlossen, Pixel-Treffer zu Clustern gruppiert, Chips kalibriert und der Strahlwinkel korrigiert. Das longitudinale Profil elektromagnetischer Schauer zeigt, dass das Schauermaximum in der Simulation etwas tiefer liegt als in den Testdaten, was auf zusätzliches Material oder eine unvollständige Beschreibung der Schauerentwicklung in der Simulation zurückzuführen sein könnte. Das laterale Profil zeigt, dass eine Schauertrennung im Millimeter-Bereich möglich ist.
Energieantwort und -auflösung: Die nicht-lineare Energieantwort wird sowohl in Testdaten als auch in Simulationen beobachtet. Die Energieauflösung des EPICAL-2 für Cluster ist besser als für Pixeltreffer und vergleichbar mit dem analogen CALICE-Prototypen. Simulationen ohne Strahlenergie-Fluktuationen zeigen eine bessere Energieauflösung als in den Testdaten.
Teil 2: Untergrund in der Messung von Photonen in ALICE 3
Simulationssetup: Die ALICE 3-Detektorgeometrie wird in GEANT4 implementiert, um den Untergrund in der Messung weicher Photonen zu untersuchen. Simulationen mit PYTHIA und GEANT4 zeigen, dass der Untergrund hauptsächlich aus Zerfallsphotonen und Photonen aus externer Bremsstrahlung besteht.
Ergebnisse der Untergrundstudien: Der Untergrund durch Photonen aus externer Bremsstrahlung dominiert und liegt im Akzeptanzbereich des FCT um einen Faktor von 5 bis 10 über dem theoretischen Signal weicher Photonen. In der Simulation wird das Material zu 8%—14% X0 in ALICE 3 bestimmt, wobei bereits bei 5% X0 der Untergrund genauso stark ist wie das erwartete Signal.
Möglichkeiten zur Untergrundreduzierung: Untersuchungen zeigen, dass ein Elektron-Veto das Signal-zu-Untergrund-Verhältnis um den Faktor 30 verbessern und eine Materialreduktion durch ein optimiertes Strahlrohr um den Faktor 7.
Die Ergebnisse des ersten Teils dieser Arbeit demonstrieren insgesamt die gute Performance des EPICAL-2 in Bezug auf die Energiemessung und die Bestimmung der Schauerform. Darüber hinaus unterstützen sie den Einsatz digitaler Kalorimeter im FOCAL-Upgrade des ALICE-Experiments und zeigen das Potenzial der digitalen Kalorimetertechnologie für zukünftige Hochenergiephysik-Experimente.
Die Ergebnisse des zweiten Teils dieser Arbeit liefern einen wesentliche Beitrag zum geplanten ALICE 3-Upgrade. Weiterhin veranschaulichen sie, wie ein Elektron-Veto und die Reduzierung des Materials zusammen eine vielversprechende Messstrategie bilden können.