Development, design and optimization of a novel Endcap DIRC for PANDA

Abstract

PANDA, ein Experiment an der zukünftigen FAIR Anlage in Darmstadt, strebt die Spektroskopie von Hadronen mit hoher Präzision und Statistik an. Dazu wird die gluonenreiche Proton-Antiproton Annihilation im Bereich von 1.5 GeV/c bis 15 GeV/c genutzt. Eine möglichst vollständige Abdeckung des Raumwinkels mit allen Detektoren ist eine Grundvoraussetzung um dieses Ziel zu erreichen. Gegenstand dieser Dissertation ist das Systemdesign eines neuartigen DIRC Cherenkov Detektortyps zur Identifikation geladener Hadronen im Bereich der vorderen Endkappe des PANDA Target-Spektrometers. Ein besonderes Merkmal dieses Detektors ist die kompakte, planare Bauweise welche im Akzeptanzbereich (theta < 22°) weniger als 5 cm Platz in Strahlrichtung und ca. 20 cm am äußeren Rand benötigt, wo einzelphotonenabbildende Kameras platziert sind.Nach der Definition von Systemanforderungen wurde das System in logische Komponenten zerlegt. Für jede Komponente wurden mögliche Hardware- und Designoptionen identifiziert, analysiert und hinsichtlich ihrer Konformität mit den Systemanforderungen sowie ihrem Einfluss auf die Leistungsfähigkeit bewertet. Das optische System und Sensor-Layout wurden optimiert um einen Kompromiss zwischen Komplexität und Auflösung zu erlangen. Dieser Ansatz führte zu einem hochgradig modularen Detektordesign.Die resultierende Systemdefinition umfasst die Spezifikation des optischen Systems, der Sensoren und der Ausleseelektronik. Weiter wurde ein Konzept zur Implementierung eines Musterrekonstruktionsalgorithmus zur Online Analyse vorgeschlagen.Das neuartige Konzept erforderte die Entwicklung von speziellen Algorithmen zur Teilchenidentifikation, welche die effiziente Analyse der gemessenen zeitkorrelierten Photonenmuster ermöglichen. Diese Algorithmen wurden mit Signalen getestet, welche mit zeit-basierten Monte Carlo Simulationen generiert wurden um die Zeitcharakteristik der quasikontinuierlichen Interaktion bei der höchsten an PANDA erwarteten Rate nachzubilden. Die daraus folgende Schätzung der Detektoreffizienz ergibt eine Pi/K-Separation von bis zu 4sigma bei einem Impuls von 4 GeV/c. PANDA, an experiment at the upcoming FAIR facility in Germany, aims at hadron spectroscopy with high precision and rate by exploiting gluon-rich proton-antiproton collisions at momenta from 1.5 GeV/c to 15 GeV/c. Almost 4pi coverage by all detector components is a prerequisite to realize this goal.The objective of this thesis is the system design of a novel type of DIRC Cherenkov detector for particle identification at the forward endcap of the PANDA target spectrometer. A key feature of this detector is its compact, planar design which occupies less than 5 cm in beam direction at the acceptance region (theta < 22°) and about 20 cm at the outer rim where single-photon imaging cameras are located. After the definition of system requirements, the system has been dissected into individual logical components. For each component, possible hardware and design options have been identified, analyzed and evaluated for compliance with the requirements and their impact on the system performance. The optical system and sensor layout have been optimized to compromise complexity and performance, leading to a highly modular detector setup.The resulting definition of the design comprises the specification of the optical setup, the photosensor and the front-end electronics. Further, a concept for the implementation of the pattern reconstruction algorithm for online reconstruction has been proposed.The novel concept also required the development of dedicated particle identification algorithms which permit the efficient analysis of the measured time-correlated photon patterns. These algorithms have been tested with signals generated by means of time-based Monte Carlo simulations which resemble the time characteristics of the quasi-continuous interaction at the highest rate expected at PANDA. The resulting performance estimations predict a Pi/K-separation up to 4sigma at 4 GeV/c.