Detection and identification of electrons and photons

Abstract

It is important to exploit particle detectors for the detection and identification of electrons and photons in the best possible way, as it is adressed in this thesis by discussing three different application examples of precisely measuring electrons and photons at high-energy physics and test beam experiments. Firstly, the optimization of the photon identification within the ATLAS detector at the LHC is investigated. Appropriate selection criteria are needed to efficiently discriminate prompt photons steming from the hard-scattering collision process from photons originating from hadronic jet decays. Systematic studies for the use of a multivariate optimization with a Boosted Decision Tree are presented and compared to the currently used rectangular cut approach. Secondly, the planned Inner Tracker (ITk) as an upgrade of the ATLAS detector for the HL-LHC is discussed. The focus of the investigations lies on the support structures foreseen for the silicon sensor modules, the petal core. The thermo-mechanical characterization of the petal is investigated using infrared thermography, dual-phase CO2 cooling and geometrical metrology, proving a well-performing design of the local support structure within the ITk detector specifications. Finally, measurements with multi-GeV electrons at the DESY II Test Beam Facility are presented to investigate the potential of the Material Budget Imaging technique. This technique aims to reconstruct the material distribution of samples by measuring the deflection angles of traversing electrons with the high-resolution EUDET-type beam telescopes exploiting the underlying effect of multiple Coulomb scattering. The results in terms of the determination of the characteristic radiation length of several materials as well as the two-dimensional material budget image of complex composite structures are shown.

Es ist wichtig, Teilchendetektoren für den Nachweis und die Identifizierung von Elektronen und Photonen bestmöglich zu nutzen, wie es in dieser Arbeit anhand von drei verschiedenen Anwendungsbeispielen für die hochpräzise Messung von Elektronen und Photonen bei Hochenergiephysik- und Teststrahlexperimenten diskutiert wird. Als Erstes wird die Optimierung der Photonenidentifikation beim ATLAS-Detektor am LHC untersucht. Geeignete Auswahlkriterien werden benötigt um prompte Photonen, die aus dem harten Streuprozess der Kollisionen stammen, effizient von Photonen aus hadronischen Jet-Zerfällen zu unterscheiden. Es werden systematische Studien zur Verwendung einer multivariaten Optimierung mit einem Boosted Decision Tree vorgestellt und mit der derzeit verwendeten Optimierung mittels rechteckiger Schnitte verglichen. Zweitens wird der geplante Inner Tracker (ITk) als Upgrade des ATLAS-Detektors für den HL-LHC diskutiert. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf den für die Silizium-Sensormodule vorgesehenen Trägerstrukturen, dem Petal Core. Die thermo-mechanische Charakterisierung des Petals wird mittels Infrarot-Thermographie, zweiphasiger CO2-Kühlung und geometrischer Metrologie untersucht, wobei ein gut funktionierendes Design der Haltestruktur innerhalb der ITk-Detektorspezifikationen nachgewiesen wird. Schließlich werden Messungen mit dem Elektronenstrahl der DESY II-Teststrahlanlage vorgestellt, um das Potenzial der Material Budget Imaging-Technik zu untersuchen. Ziel dieser neuen Technik ist es, die Materialverteilung von Proben zu rekonstruieren, indem die Ablenkwinkel der gestreuten Elektronen mit den hochauflösenden Strahlteleskopen gemessen werden, wobei der zugrundeliegende Effekt der Vielfach-Coulomb-Streuung ausgenutzt wird. Die Ergebnisse hinsichtlich der Bestimmung der charakteristischen Strahlungslänge mehrerer Materialproben sowie der zweidimensionalen Verteilung des Materialbudgets von komplexen Verbundstrukturen werden diskutiert.