Design optimization of the ¯PANDA Micro-Vertex-Detector for high performance spectroscopy in the charm quark sector [Elektronische Ressource] / Thomas Würschig. Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

Thomas Würschig

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• Publié par: rheinische_friedrich-wilhelms-universitat_bonn
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 12
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 48 Mo

Extrait

Design optimization of the
PANDA Micro-Vertex-Detector
for high performance spectroscopy
in the charm quark sector
Dissertation
zur
Erlangung des Doktorgrades (Dr. rer. nat)
der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult at
der
Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universit at Bonn
vorgelegt von
Dipl.-Phys. Thomas Wursc hig
aus
Dresden
Bonn, 2011Angefertigt mit Genehmigung der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult at der
Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universitat Bonn
1. Gutachter : Prof. Dr. Kai-Thomas Brinkmann
2. Gutachter : Prof. Dr. Jochen Dingfelder
Tag der Promotion: 19. Juli 2011
Erscheinungsjahr: 2011Kurzdarstellung
Das PANDA-Experiment ist eines der Hauptprojekte an der zukunftigen Beschleunigeran-
lage FAIR, die sich zurzeit an der GSI in Darmstadt im Aufbau be ndet. Fur die sp ater
dort durchgefuhrten Experimente werden Antiprotonen zum Einsatz kommen, die auf ein
festes Target gefuhrt werden. Hauptziel dieser Messungen wird die Untersuchung der
starken Wechselwirkung im Charm-Quark-Sektor sein. In diesem Zusammenhang ist eine
hochpr azise Spektroskopie hadronischer Systeme im entsprechenden Energiebereich unab-
dingbar. Der Mikro-Vertex-Detektor (MVD) als innerster Teil des Spurerkennungssystems
spielt dabei eine wesentliche Rolle.
Das PANDA-Projekt hat die Anfangsphase rein konzeptioneller Studien bereits hinter
sich gelassen. Basierend auf diesen Ergebnissen ist eine Optimierung der einzelnen De-
tektorsysteme einschlie lich des MVDs erforderlich, um die Umsetzung des Vorhabens bis
hin zu seiner Inbetriebnahme voranzutreiben. Um dies zu erreichen muss ein m oglichst
realistisches und umfangreiches Modell erarbeitet werden, welches sowohl den physikali-
schen Anforderungen genugt, als auch die ingenieurstechnische Umsetzung erlaubt. Diese
Aufgabe steht im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit. Wesentliche Teile der pr asentierten
Studien werden dabei Einklang in den zu erstellenden technischen Abschlussbericht fur den
PANDA-MVD nden. Dieser Bericht ist der n achste Schritt auf dem Weg zum endgultigen
Aufbau des Detektors.
Der erste Teil der Arbeit befasst sich zun achst mit den wesentlichen physikalischen
Aspekten der Spektroskopie Charm-behafteter Systeme. Au erdem wird ein kompletter
Uberblick ub er den derzeitigen experimentellen Stand auf diesem Gebiet gegeben. An-
schlie end werden alle wichtigen Informationen zum PANDA-Experiment zusammenge-
fasst. In den darauf folgenden Kapiteln werden die Grundkonzeption und zugeh orige
Hardware-Entwicklungen fur den MVD vorgestellt. Diese liefern die wesentlichen Vorgaben
fur die durchgefuhrte Detektoroptimierung, welche im Hauptteil der Arbeit pras entiert
wird. Darin wird auch die Ausarbeitung des detaillierten MVD-Modells bis hin zu seiner
Implementierung in die Simulations-Software des PANDA-Experiments beschrieben. Im
letzten Teil werden die Ergebnisse ausfuhrlic her Simulationen zusammengefasst, die mit
dem entwickelten Detektormodell durchgefuhrt worden sind. Diese beziehen sich sowohl
auf Basisparameter des Detektors als auch auf die vollst andige Simulation physikalischer
Kan ale. Die erzielten Resultate best atigen die Einhaltung aller Vorgaben, die fur das
gewunsc hte Detektorverhalten zur Erfullung des physikalischen Kernprogramms notwendig
sind.
iiiivAbstract
The PANDA experiment is one of the key projects at the future FAIR facility, which
is currently under construction at GSI Darmstadt. Measurements will be performed with
antiprotons using a xed-target setup. The main scope of PANDA is the study of the strong
interaction in the charm quark sector. Therefore, high precision spectroscopy of hadronic
systems in this energy domain is a prerequisite. The Micro-Vertex-Detector (MVD) as
innermost part of the tracking system plays an important role to achieve this goal.
At present, the PANDA project has exceeded the initial phase of conceptual design
studies. Based on these results, an optimization of the individual detector subsystems,
and thus also for the MVD, is necessary to continue the overall detector development
towards its commissioning. Therefore, a comprehensive and realistic model must
be developed, which on the one hand ful ls the physics requirements but on the other hand
also includes feasible engineering solutions. This task is the main scope of the present work.
The outcome of these studies will deliver important contributions to the technical design
report for the PANDA MVD, which is the next step towards the nal detector assembly.
In the rst part of this work, main physics aspects of the charm spectroscopy are high-
lighted and a complete review of the experimental status in this eld is given. Afterwards,
all relevant details of the PANDA expt are summarized. The conceptual design
and associated hardware developments for the MVD are discussed separately in the fol-
lowing chapters. They deliver basic input for the performed detector optimization, which
is presented in the central part. Furthermore, this section describes the development of a
comprehensive detector model for the MVD and its introduction into the physics simula-
tion framework of PANDA. The nal part contains a compilation of extended simulations
with the developed detector model. This includes the determination of basic detector pa-
rameters as well as the full simulation of physics channels. Obtained results demonstrate
the compliance with all given requirements that warrant the desired physics performance.
vviContents
Motivation 1
1 Introduction 3
1.1 Physics in the charm sector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Review of the present status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1 Charmonia and charmonium-like systems . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2 Mesons with open charm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.3 Charmed baryons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.4 Closing summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3 Experimental methods and applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.1 Common techniques for charm avour production . . . . . . . . . . 21
1.3.2 Experiments and future applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4 Silicon tracking detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.5 Tracking algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2 The PANDA experiment at FAIR 35
2.1A physics program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2 Experimental conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.1 Antiproton chain at the FAIR facility . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.2 The High Energy Storage Ring (HESR) . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.3 Beam dynamics and cooling scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.4 Luminosity considerations for the PANDA experiment . . . . . . . . 45
2.3 Detector setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.1 Target spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.2 Instrumentation of the forward part . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.3.3 Target systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3.4 Closing remarks on the overall detection concept . . . . . . . . . . . 58
3 The Micro-Vertex-Detector (MVD) 63
3.1 Main tasks and detector requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2 Basic detector layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3 Conceptual design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.3.1 Choice of detector technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.3.2 Sensor geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.3.3 Technical design aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4 Hardware development 75
4.1 Pixel development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
vii4.1.1 Epitaxial pixel sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.1.2 Custom made pixel readout chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2 Hardware activities for the MVD strip part . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.1 Laboratory test setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2.2 Tracking station . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3 Integration work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5 Development of a detailed MVD model 89
5.1 General approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.2 Design optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2.1 Pixel part . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2.2 Strip part . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.3 Input from engineering models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.3.1 Hybridization of super-modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.3.2 Support concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.3.3 Cooling structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.4 Mvd-2.1: A detailed detector model for physics simulations . . . . . . . . . 10