International Linear Collider
Der International Linear Collider (ILC) ist ein Beschleunigerprojekt, das in Japan diskutiert wird. An ihm sollen Elektronen und Positronen auf eine Schwerpunktsenergie zwischen 250 GeV und 1 TeV beschleunigt werden, um Präzisionsmessung von Z/W-Bosonen, top-Quarks und Higgs-Bosonen durchführen zu können. Unsere Gruppe ist an einem der Experimente beteiligt und trägt zur Entwicklung einer zentralen Spurkammer bei. Diese als Zeitprojektionskammer (engl. TPC) bezeichneter Detektor ist aufgrund seiner hohen Effizient, seiner hervorragenden Energieauflösung und der geringen Materialbelegung eine ideale Spukammer. Ihre Eigenschaften können durch die Verwendung von GridPix-Detektoren zur Signalauslese noch einmal deutlich verbessert werden.
Higgs-Physik am ILC
Der International Linear Collider (ILC) ist eine sogenannte "Higgs-factory", bei der Kollisionen von Elektronen und Positronen bei einer Energie oberhalb der Higgs-Schwelle stattfinden. Aufgrund der hohen Ereignisrate können sowohl die Produktion als auch die Zerfälle der Higgs-Bosonen genau untersucht werden. Insbesondere seltene Prozesse wie beispielsweise die Higgs-Higgs-Selbstkopplung sind wichtige Beiträge, um den Higgs-Mechanismus genau zu verstehen und verschiedene Modelle (Standardmodell/SUSY) zu unterscheiden. Aus diesem Grund planen die Teilchenphysiker einen bis zu 50 km langen Linearbeschleuniger in Japan zu bauen, der ideal auf diese Aufgabe abgestimmt ist. Hier können Präzisionsmessungen mit polarisierte Elektronen und Positronen bei Schwerpunktsenergien zwischen 91 GeV und 1 TeV durchgeführt werden.
International Large Detector
Um den Bereich des Wechselwirkungspunktes wird ein großer Teilchendetektor errichtet, der aus mehreren schalenförmig ineinander gefügte Komponenten besteht. Zwei verschiedene Detektoren, der International Large Detector (ILD) und der Silicon Detector (SID) werden sich ablösen und auf großen Luftkissen in die jeweils richtige Position geschoben. Im Zentrum des ILD Detektors direkt um das Strahlrohr wird sich der Vertexdetektor befinden, der mit Hilfe der Siliziumpixeldetektoren den genauen Ursprungsort der Teilchen vermessen. Als zentralen Spurdetektor ist eine große Zeitprojektionskammer geplant, die sowohl im Innern als auch im Äußeren mit Siliziumstreifendetektoren umgeben sind. Außerdem werden ein hochgranulares elektromagnetischen und hadronisches Kalorimeter für die Messung der Teilchenschauer vorgesehen. Diese Komponenten befinden sich in einem magnetischen Feld von B = 3.5 T, das schließlich noch von Muondetektoren umgeben ist.
Zeitprojektionskammer
Unsere Gruppe ist an der Entwicklung der Zeitprojektionskammer (engl. TPC) beteiligt, die die Spuren langlebiger Teilchen nachweisen und vermessen wird. Wir haben hierfür mit Kollegen die LCTPC Kollaboration gegründet, in der die Entwicklung einer TPC mit mikrostrukturierten Gasdetektoren betrieben wird. Neben der Entwicklung des Feldkäfigs und der Kathode stehen insbesondere die Auslesemodule mit den Gasverstärkungsstufen, den Auslesepads und der Elektronik im Fokus. Hier werden unterschiedliche Ansätze verfolgt, wie z.B. Gas Electron Multiplier (GEMs), Micromegas oder InGrids werden für Gasverstärkung in Betracht gezogen. Letztere sind Teil der GridPixe, die wir in unserer Arbeitsgruppe weiterentwickeln wie in dem Bereich Generische Detektorentwicklung beschrieben ist. Schließlich sind die bei der Gasverstärkung entstehenden Ionen ein wichtiger Teil der Studien, da sie möglichst schnell neutralisiert werden müssen. Gelangen Sie nämlich in das Driftvolumen, so führen sie aufgrund ihrer Ladungen zu Verzerrungen des elektroischen Driftfeldes und somit zu falsch rekonstruierten Teilchenspuren.
GridPix-Auslese
Der Einsatz von GridPixen in einer Zeitprojektionskammer hat mehrere Vorteile: So können aufgrund der hohen Anzahl von Spurpunkten und der niedrigen Belegungsdichte die interessanten Teilchenspuren einfacher und mit höherer Zuverlässigkeit gefunden und rekonstruiert werden, auch wenn ein erhöhter Untergrund an Signalen vorhanden ist. Außerdem ermöglichen GridPix-Detektoren eine von der Spurrichtung unabhängige Ortsauflösung und die hohe Auflösung ermöglicht es, Besonderheiten im Spurverlauf, wie z.B. sekundäre Teilchenspuren (Delta-Elektronen) oder Knicke in der Spur zu erkennen und in der Spurrekonstruktion zu berücksichtigen. Allerdings sind für die große Kammer ungefähr 50.000 bis 60.000 GridPixe notwendig. Um das Zusammenspiel vieler GridPixe zu erproben, haben wir einen Aufbau mit 160 GridPixen fertig gestellt und für zwei Wochen in einem Teststrahl am DESY betrieben.
Jetzt konzentrieren wir uns darauf, die hervorragenden Eigenschaften der GridPixe genauer zu untersuchen, wie z.B. die extrem hohe Orts- und Zeitauflösung, die aufgrund der Elektron- oder Clusterzählung verbesserte Teilchenidentifikation und den Ionenrückfluss.
Beispiele für Bachelor- und Masterarbeiten
Hier sind zwei Beispiele für Arbeiten, die sich für Bachelor- oder Masterarbeiten eignen.
Untersuchung der Energiespareinstellungen des Timepix3 ASICs
Um die ausgezeichnete Leistung des Timepix3 ASICs auszuschöpfen wird der Chip in der Regel in einem Modus betrieben, der mit einen hohen Energieverbrauch einhergeht. Da für die Auslese eines großen Experimentes eine Vielzahl von Chips notwendig sind, muss entsprechend viel Material für die Stromzuführung und Kühlung vorgesehen werden. Um dies zu vermeiden, kann der Chips auch mit stromsparenden Einstellungen betrieben werden. In dieser Arbeit soll der Einfluss dieser Einstellungen auf die Messungen untersucht werden.
Messung des Ionenrückflusses von GridPixen und einer GatingGEM
Die Ionen aus der Gasverstärkung können in das Driftvolumen der TPC gelangen und sich dort aufgrund ihrer langsamen Driftgeschwindigkeit ansammeln. Hierdurch werden zusätzliche elektrische Felder erzeugt, die nachfolgende Elektronen ablenken und so die Spuren späterer Ereignisse verzerren können. Um dies zu vermeiden, muss die Anzahl der Ionen aus der Gasverstärkungsstufe zunächt gemssen und dann minimiert werden.