Aufbau und Messungen am Teststrahl mit einem Prototyp des PANDA elektromagnetischen Kalorimeters
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Aufbau und Messungen am
Teststrahl mit einem Prototyp des
PANDA elektromagnetischen
Kalorimeters
Masterarbeit
im
Studiengang
„Master of Science“
im Fach Physik
an der Fakultät für Physik und Astronomie
der Ruhr-Universität Bochum
von
Tobias Triffterer
aus
Herten
Bochum, im Wintersemester 2011/2012
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Kern- und Teilchenphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 PANDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Physikalische Grundlagen 3
2.1 Das Standardmodell der Teilchenphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 Quarks, Leptonen und Bosonen . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.2 Vier grundlegende Wechselwirkungen . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Quantenchromodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 Kopplungskonstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.2 Positronium und Charmonium . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.3 Exotische Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Antimaterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.1 Gegenstück der Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.2 Annihilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 Das PANDA-Experiment 9
3.1 Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2 Facility for Antiproton and Ion Research . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.3 Der PANDA-Detektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.3.1 Das Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.3.2 Das Target-Spektrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.3.3 Das Vorwärts-Spektrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.4 Die Vorwärtsendkappe des EMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.4.1 Grundlegender Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.4.2 Der Proto192 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.5 Ultradünne Temperatursensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4 Teststrahlzeiten mit dem Proto192 24
4.1 Messaufbau am SPS (CERN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.2 Ergebnisse der Messung am SPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3 Cosmic-Messung in Bochum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.4 Messaufbau an ELSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.5 Messprogramm an ELSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.6 Ergebnisse der Messungen an ELSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5 Analyse der Messergebnisse 31
5.1 Rohdaten von der DAQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.2 Von den Rohdaten zum Spektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
ii
Inhaltsverzeichnis
5.3 Fitten der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.3.1 Die Novosibirsk-Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.3.2 Durchführung der Fits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.4 Auswertung der Ratenfestigkeitstests . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
6 Untersuchung der APD-Amplitudenschwankungen 38
6.1 Messaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
6.2 Reproduzierbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
7 Die Proto192-Kanal-Datenbank 43
7.1 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7.2 Struktur der Datenbank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7.2.1 Entity-Relationsship-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7.2.2 Kanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
7.2.3 Detektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7.2.4 Subdetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7.2.5 Temperatursensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7.2.6 Detektor- und Subdetektor-Typen . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7.2.7 Archivsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7.2.8 Überblick über die Datenbankstruktur . . . . . . . . . . . . . 48
7.3 Sicherheit der Webanwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7.3.1 „Never trust your clients“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7.3.2 Gegenmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
8 Analyse-Framework 51
8.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
8.2 Selektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
8.3 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
8.3.1 Histogramme füllen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
8.3.2 Peaks fitten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
8.3.3 Automatische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
9 Fazit und Ausblick 56
Literaturverzeichnis 58
Tabellenverzeichnis 60
Abbildungsverzeichnis 61
iii
1 Einleitung
Wir können noch nicht einmal exakte Lösungen für die Bewegung
dreier Körper in Newtons Gravitationstheorie finden und die
Schwierigkeiten wachsen mit der Zahl der Körper und der Komplexität
der Theorie.
(Stephen William Hawking)
1.1 Kern- und Teilchenphysik
Seit Jahrtausenden erforscht der Mensch das Universum, in dem er lebt. Insbeson-
dere im letzten Jahrhundert gab es zahlreiche bahnbrechende Entdeckungen und Er-
findungen. Trotzdem geht die Suche nach weiterem Wissen und neuen Erkenntnissen
ungebremst weiter, denn eine „Weltformel“ zur Erklärung des gesamten Universums
gibt es noch nicht.
Ziel der Kern- und Teilchenphysik ist es, den Aufbau der Materie auf Ebene
ihrer elementaren Bestandteile zu erklären und die Wechselwirkungen zwischen ih-
nen zu erforschen. Sie verfolgt somit die alte Frage, „was die Welt Im Innersten
zusammenhält“ [Goe08]. Die aktuellen Theorien der Kern- und Teilchenphysik, dar-
unter insbesondere das Standardmodell, beschreiben die experimentellen Resultate
mit zuvor unerreichter Präzision. Nichtsdestotrotz liefern die Experimente immer
deutlichere Hinweis auf Physik „ jenseits des Standardmodells“. Aus diesem Grund
werden weltweit neue Experimente geplant und gebaut, die nicht nur die Grenze der
bekannten Physik neu abstecken, sondern auch die Grenze des technisch Machbaren
weiter hinausschieben.
1.2 PANDA
Diese Arbeit wurde im Rahmen eines dieser Experimente verfasst, dem PANDA-
Experiment (Antiproton Annihilation at Darmstadt). Dieses soll in den nächsten
Jahren an dem neu gegründeten Forschungszentrum FAIR (Facility for Antiproton
and Ion Research) in Darmstadt aufgebaut werden. Ziel des Experimentes ist das
bessere Verständnis der starken Wechselwirkung. Dazu wird die Hadronenspektro-
skopie, insbesondere im Charmonium-Bereich, weiter präzisiert. Darüber hinaus zäh-
len exotische Materie wie Gluonenbälle und Hyperkerne zu den Untersuchungsfel-
dern. Kapitel 2 führt die physikalischen Grundlagen ein, die dem Experiment zu-
grunde liegen. In Kapitel 3 wird das PANDA-Experiment vorgestellt.
Das Institut für Experimentalphysik I der Ruhr-Universität Bochum ist feder-
führend an der Entwicklung der Endkappe des elektromagnetischen Kalorimeters
beteiligt. Hierzu wurde ein Prototyp entwickelt, an dem die Technologie der End-
1
1 Einleitung 1.2 PANDA
kappe getestet werden soll. Die Endkappe und ihr Prototyp werden in Abschnitt 3.4
vorgestellt.
Mit dem Prototypen wurden im Rahmen des Jahres, in dem diese Arbeit angefer-
tigt wurde, zwei Teststrahlzeiten durchgeführt. In Kapitel 4 werden die Bedingungen
bei diesen Teststrahlzeiten erläutert. Diese Arbeit konzentriert sich hauptsächlich
auf die zweite Strahlzeit am ELSA-Beschleuniger in Bonn. In Kapitel 5 werden die
Messdaten dieser ELSA-Strahlzeit analysiert, um die im Prototypen genutzen Pho-
todetektoren auf ihre Ratenfestigkeit zu überprüfen. Bei einem Detektortyp, den
Avalanche-Photodioden, wurden bei dieser Untersuchung Probleme festgestellt. Ka-
pitel 6 zeigt, wie diese Probleme weiter untersucht und behoben wurden.
Allerdings wurden in dem Jahr nicht nur Messungen durchgeführt und Messdaten
analysiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden auch Detektorkomponenten weiter-
entwickelt. In Abschnitt 3.5 wird das überarbeitete Verfahren zur Herstellung der
Temperatursensoren für den Prototypen vorgestellt. Darüber hinaus wurde im Rah-
men dieser Arbeit Software für den Prototypen entwickelt. Kapitel 7 beschreibt die
Proto192-Kanal-Datenbank, in der Daten zu den verbauten Komponenten und zur
Konfiguration des Prototypen gespeichert werden. Kapitel 8 zeigt schließlich das zur
Auswertung der Messdaten des Prototypen entwickelte Analyse-Framework.
2
2 Physikalische Grundlagen
2.1 Das Standardmodell der Teilchenphysik
Das Standardmodell der Teilchenphysik basiert auf der Quantenfeldtheorie und ist
die derzeit beste theoretische Beschreibung der Erkenntnisse der Kern- und Teil-
chenphysik. Seine Vorhersagen sind vielfach in Experimenten bestätigt worden. Von
den Teilchen, die das Modell vorhersagt, wurde bis jetzt nur das Higgs-Boson noch
nicht nachgewiesen. Allerdings sind Physiker aus aller Welt dem Higgs-Teilchen mit
dem Large Hadron Collider (LHC) am europäischen Kernforschungszentrum CERN
auf der Spur. Aber selbst wenn das Higgs-Teilchen gefunden würde, so wäre die
Teilchenphysik damit noch nicht „abgeschlossen“. Das Standardmodell benötigt die
Massen und Eigenschaften der Teilchen als „Eingabeparameter“. Es erklärt nicht,
warum diese Parameter gerade diesen Wert annehmen oder warum es gerade drei
Teilchen-Generationen gibt und nicht zwei oder vier. Physiker vermuten daher, dass
eine noch grundlegendere Theorie zu den elementaren Bausteinen der Materie for-
muliert werden kann. Es existieren verschiedene Ansätze für so eine neue Theorie,
aber ohne neue experimentelle Erkenntnisse bleiben sie Gedankenspiele.
2.1.1 Quarks, Leptonen und Bosonen
Unser Universum besteht aus Fermionen und Bosonen. Einige dieser Teilchen haben
eine Substruktur, bestehen also aus weiteren, elementareren Teilchen. Die Teilchen,
bei denen keine Substruktur mehr nachgewiesen werden kann, heißen Elementar-
teilchen. Diese lassen sich in folgende Kategorien einteilen: Fermionen haben einen
halbzahligen Spin und sind die Bausteine der Materie. Bosonen haben einen ganzzah-
ligen Spin und übertragen die vier Grundkräfte der Natur. Eine Ausnahme sind die
Tabelle 2.1: Übersicht über die Quarks [Nak10]
mit: Q = Ladung, Y = Hyperladung, I = Isospin, T = schwacher Isospin,
Gen. = Generation, QZ = Quantenzahl
Quark Symbol Q [e] Y Flavour-QZ Tz Masse [ MeV
c2
] Gen.
2 1 1 1
Up u +3 +3 Iz = + 2 +2 1,7 − 3,3 1
Down d − 13 + 31 Iz = − 21 − 12 4,1 − 5,8 1
2 4 1 +70
Charm c +3 +3 C = +1 +2 1270−90 2
1 2 1 +29
Strange s −3 −3 S = −1 −2 101−21 2
Top t + 23 + 34 T = +1 + 12 172000 ± 2400 3
1 2 1 +180
Bottom b −3 −3 B = −1 −2 4190−60 3
3
2 Physikalische Grundlagen 2.1 Das Standardmodell der Teilchenphysik
Tabelle 2.2: Übersicht über die Leptonen [Nak10]
mit: L = Leptonenzahl, Li = Leptonfamilienzahl, T = schwacher Isospin,
Gen. = Generation
Lepton Symbol Q [e] L L1 L2 L3 Tz Masse [ MeV c2
] Gen.
− 1
Elektron e −1 +1 +1 0 0 −2 0,511 1
e-Neutrino νe 0 +1 +1 0 0 + 21 < 2 · 10−6 1
1
Myon µ −1 +1 0 +1 0 − 2 105,66 2
1
µ-Neutrino νµ 0 +1 0 +1 0 + 2 < 0,19 2
Tauon τ −1 +1 0 0 +1 − 21 1777 3
1
τ -Neutrino ντ 0 +1 0 0 +1 + 2 < 18,2 3
Photonen (s.u.), die darüber hinaus auch elektromagnetische Felder übertragen. Die
Fermionen werden nach ihrem Gewicht weiter aufgeteilt, in Leptonen (ursprüngl. für
„leichte Teilchen“) und Quarks. Nicht-elementare Teilchen können nach ihrem Spin
jedoch auch als Fermionen oder Bosonen identifiziert werden.
Beide Gruppen enthalten jeweils sechs Teilchen, die in drei Generationen aufgeteilt
werden. Alle sechs Leptonen kommen einzeln in der Natur vor und sind beobachtet
worden. Dies ist bei den Quarks nicht möglich. Aufgrund des „Confinements“ (siehe
Abschnitt 2.1.2) können nur gebundene Zustände aus mehreren Quarks beobachtet
werden. Dies sind die Mesonen (ursprüngl. für „mittelschwere Teilchen“), die aus
einem Quark-Antiquark-Paar bestehen, und die Baryonen (ursprüngl. für „schwere
Teilchen“), die aus drei Quarks bestehen. Theoretisch sind auch Teilchen mit mehr
als 3 Quarks möglich (z. B. das Tetraquark qqqq oder das Pentaquark qqqqq), diese
wurden bis jetzt aber noch nicht zweifelsfrei nachgewiesen [Nak10]. Mesonen, Ba-
ryonen und alle theoretisch möglichen Teilchen mit mehr Quarks werden unter dem
Sammelbegriff „Hadronen“ zusammengefasst. Tabelle 2.1 enthält eine Übersicht der
Quarks, Tabelle 2.2 eine Übersicht der Leptonen.
2.1.2 Vier grundlegende Wechselwirkungen
Die Physik kennt derzeit vier grundlegende Wechselwirkungen („Kräfte“), auf die alle
anderen Kräfte und Wechselwirkungen im Universum zurückgeführt werden können,
so basiert beispielsweise die Lorentz-Kraft auf der elektromagnetischen Wechselwir-
kung. Diese Wechselwirkungen sind im Einzelnen:
Die elektromagnetische Wechselwirkung
Die elektromagnetische Wechselwirkung bietet eine einheitliche Beschreibung der
Phänomene der Elektrizität und des Magnetismus. Sie vermittelt die Anziehungs-
und Abstoßungseffekte zwischen elektrisch geladenen Teilchen sowie die Effekte
durch elektrische und magnetische Felder. Elektromagnetische Wellen sind schließ-
lich der physikalische Hintergrund des Lichts und aller Funk-Techniken. Die ma-
kroskopischen Eigenschaften elektrischer und magnetischer Felder werden durch die
vier Maxwell-Gleichungen beschrieben. Die quantenmechanisch korrekte Beschrei-
bung (auf Basis der Quantenfeldtheorie) ist die Quantenelektrodynamik (QED). In
4
2 Physikalische Grundlagen 2.1 Das Standardmodell der Teilchenphysik
dieser übermittelt ein Eichboson die Wechselwirkung, das Photon (γ). Das Photon
selbst ist elektrisch neutral und hat eine Ruhemasse von 0, bewegt sich also mit
Lichtgeschwindigkeit, die elektromagnetische Wechselwirkung hat eine unbegrenzte
Reichweite. Experimentell kann zurzeit 6 · 10−17 eV als obere Massengrenze für das
Photon angegeben werden [Ams07].
Die starke Wechselwirkung
Die starke Wechselwirkung ist der „Kleber“, der die
Protonen und Neutronen im Atomkern zusammenhält,
die sich eigentlich elektrisch abstoßen würden. Dar-
über hinaus bindet sie die Quarks im Nukleon an-
einander. Die starke Wechselwirkung ist daher um ei-
nige Größenordnungen stärker als die elektromagneti-
sche Wechselwirkung. Abbildung 2.1 zeigt eine künst- Abbildung 2.1: Ein Nukleon
lerische Darstellung eines Nukleons, in der die star- [PAN12b]
ke Wechselwirkung durch die Federn zwischen den
Quarks symbolisiert wird. Die Theorie, die die starke Wechselwirkung beschreibt, ist
die Quantenchromodynamik (siehe Abschnitt 2.2). Analog zur elektrischen Ladung
(positiv und negativ) kann man auch eine Ladung für die starke Wechselwirkung
definieren. Diese hat aber die drei verschiedenen Ausprägungen rot (r), grün (g)
und blau (b) mit den entsprechenden Gegenstücken antirot (r), antigrün (g) und
antiblau (b). Alle Quarks tragen eine Farbladung, Leptonen unterliegen nicht der
starken Wechselwirkung und haben daher keine Farbladung. Die starke Wechsel-
wirkung wird durch das Gluon (g) vermittelt. Im Gegensatz zum Photon trägt das
Gluon aber selbst die Ladung, deren Kraft es vermittelt. Ein Gluon trägt immer eine
Farbe und eine Antifarbe. Daher können Gluonen auch untereinander wechselwirken,
was bei Photonen so nicht möglich ist. Die Farben als Namen für die Ladungszutän-
de der starken Wechselwirkung wurden im Hinblick auf die additive Farbmischung,
die zum Beispiel bei Computermonitoren genutzt wird, gewählt. Rot plus grün plus
blau ergibt weiß, d.h. ein aus Sicht der Farbladung ungeladenes Teilchen [HM84].
Ein weiteres Phänomen der starken Wechselwirkung ist das Confinement. Dieses
besagt, dass alle Hadronen nach außen hin als „weiße“ Teilchen erscheinen. Da-
her müssen die Farbladungen von Quarks und Gluonen in einen Hadron so zusam-
menwirken, dass sich ihre Farbladungen immer gegenseitig aufheben. Die Reich-
weite der starken Wechselwirkung ist somit auf den typischen Hadronenradius von
10−15 m = 1 fm beschränkt [HM84]. Außerdem schließt das Confinement die Be-
obachtung eines einzelnen freien Quarks aus, denn dieses wäre nicht farblos. Das
Gluon tritt somit in acht verschiedene Varianten auf. Theoretisch wäre eine neunte
Variante denkbar, allerdings wäre diese farblos und das Gluon somit nicht an das
Confinement gebunden. Solche freien weißen Gluonen könnten, wenn sie existieren,
nicht beobachtet werden, da sie mit der von uns beobachtbaren Materie nicht wech-
selwirken können. Obwohl die starke Wechselwirkung eine beschränkte Reichweite
hat, ist ihr Austauschteilchen, das Gluon, der Theorie nach masselos. Experimentell
kann eine Masse von einigen MeV jedoch nicht ausgeschlossen werden [Nak10].
5
2 Physikalische Grundlagen 2.2 Quantenchromodynamik
Die schwache Wechselwirkung
Die schwache Wechselwirkung ist die einzige Wechselwirkung, die es ermöglicht,
die Art („Flavour“) eines Quarks oder Leptons zu ändern. Sie ist somit auch für
den radioaktiven Beta-Zerfall verantwortlich [Dem04]. Die schwache Wechselwir-
kung wird durch drei Bosonen übertragen: Das W + , das W − und das Z 0 -Boson.
Da diese Bosonen eine Ruhemasse von (80.399 ± 23) MeV c2
im Falle der W ± bzw.
MeV
(91.187,6 ± 2,1) c2 im Falle des Z 0 ist die Reichweite der schwachen Wechselwir-
kung auf etwa 10−18 m = 1 am beschränkt [Nak10]. Die Bosonen existieren bei den
Wechselwirkungsprozessen nur als virtuelle Teilchen, ihre Ruheenergie kann für den
kurzen Zeitraum ihrer Existenz aufgrund der heisenbergschen Unschärferelation dem
Vakuum entnommen werden („Vakuumfluktuation“) [HM84].
Die Gravitation
Die Gravitation ist im Vergleich zu den anderen drei Kräften extrem schwach. Auf-
grund dessen und aufgrund der geringen Massen der beteiligten Teilchen spielt die
Gravitation in der Teilchenphysik keine Rolle. Auf großen Skalen ist es jedoch die
Gravitation, die das Universum dominiert, da starke und schwache Wechselwirkung
auf sehr kleine Skalen beschränkt sind (s. o.) und makroskopische Objekte im Allge-
meinen elektrisch neutral sind, so dass die elektromagnetische Wechselwirkung auch
keine Rolle spielt. Auf mikroskopischer Ebene müsste jedoch ein Teilchen wie ein
Quark eine Ruhemasse von etwa 1020 GeV · c−2 haben, damit die Gravitation so
stark wäre wie die starke Wechselwirkung [Ams07].
Die Unterschiede liegen jedoch nicht nur auf experimenteller Ebene vor. Auch in
der Theorie ist bis jetzt eine Vereinigung zwischen den Theorien der Quantenme-
chanik und der Gravitation (allgemeine Relativitätstheorie) noch nicht gelungen.
Als Austauschteilchen der Gravitation wurde das Graviton postuliert, ein masselo-
ses Boson mit Spin 2. Dieses ist bis jetzt jedoch noch nicht nachgewiesen worden
[Nak10].
2.2 Quantenchromodynamik
2.2.1 Kopplungskonstanten
Die Quantenchromodynamik (QCD) ist die Theorie der starken Wechselwirkung. Sie
beschreibt die Wechselwirkung der Quarks und Gluonen auf Basis der Farbladung
(siehe 2.1.2). Im Gegensatz zur QED ist die QCD zu großen Teilen noch nicht
verstanden. In der QED nimmt die Kopplungskonstante α (Feinstrukturkonstante)
den Wert
e2 1
α= ≈ (2.1)
2cε0 h 137,036
an. Da dies sehr viel kleiner als 1 ist, kann die QED mit Hilfe der Störungstheorie
beschrieben werden. In der QCD nimmt die Kopplungskonstante der starken Wech-
selwirkung αs keinen festen Wert an, sie ist vom Abstand der wechselwirkenden
Teilchen abhängig. Sie nimmt dabei auch Werte an, die in der Größenordnung von 1
6
2 Physikalische Grundlagen 2.2 Quantenchromodynamik
oder darüber liegen. Somit ist die Störungstheorie nicht mehr anwendbar. Daher sind
wesentlich aufwendigere Methoden wie die Gittereichtheorien nötig, die aufwändige
Computersimulationen erfordern. Dies ist einer der Gründe, warum die QCD noch
nicht so gut verstanden ist wie die QED. Mathematisch basiert die QCD auf der
dreidimensionalen speziellen unitären Gruppe (SU (3)) [HM84, Dem04].
2.2.2 Positronium und Charmonium
Ein gebundener Zustand aus einem Elektron und seinem Antiteilchen (siehe Ab-
schnitt 2.3), dem Positron, wird als Positronium bezeichnet. Analog dazu wird ein
gebundener Zustand aus einem Quark und seinem Antiquark als Quarkonium be-
zeichnet. Handelt es sich bei dem Quark um ein Charm, so wird der Zustand cc als
Charmonium bezeichnet. Durch die Untersuchung von Charmonium-Zuständen und
dem Vergleich mit Untersuchungen von Positronium können Gemeinsamkeiten und
Unterschiede zwischen der elektromagnetischen und der starken Wechselwirkung ge-
funden werden.
Ein Vergleich der Spektren zeigt bei niedrigen Ener-
gien große Übereinstimmungen, so dass man anneh-
men kann, dass die Gluonen wie die Photonen ein r−1 -
Potential erzeugen. Bei größeren Energien zeigen sich
jedoch deutliche Abweichungen, so dass bei der QCD
ein weiterer Effekt hinzukommen muss, der in der QED
nicht existiert. Derzeit wird ein linear mit dem Ab-
stand steigender Anteil angenommen, so dass sich für
das effektive Potential der QCD folgende Gleichung
ergibt:
4 αs (r)~c
V (r) = − +k·r (2.2)
3 r
In dieser Gleichung gibt die Proportionalitätskonstan-
te k die Feldenergie pro Länge an und wird als „string
tension“ bezeichnet.
In dieser Gleichung findet sich auch die Erklärung Abbildung 2.2: Illustration
für das bereits erwähnte „confinement“ in der QCD. des Confinements, hier das
Wenn man versucht, ein Quark aus einem Hadron zu Trennen von zwei Quarks
entfernen um es isoliert zu untersuchen, so steigt die [PAN12b]
potentielle Energie mit wachsender Entfernung an. Wenn die Energie die Schwelle
2mq c2 für den Quarkflavour q erreicht, kann ein Quark-Antiquark-Paar dieses Fla-
vours gebildet werden. Eines davon bleibt Konstituent des Hadrons, eines bildet
mit dem Quark, dessen Isolierung man versucht, ein Meson. Somit ist die Isolie-
rung des Quarks nicht möglich [Ams07, HM84]. Abbildung 2.2 zeigt eine graphische
Darstellung dieses Vorgangs.
2.2.3 Exotische Materie
Wie in Abschnitt 2.1.2 erwähnt, tragen Gluonen eine Farbladung und können somit
auch mit sich anderen Gluonen wechselwirken und nicht nur mit Quarks. Daher
72 Physikalische Grundlagen 2.3 Antimaterie
sind auch Hadronen denkbar, die an Stelle eines Quarks ein Gluon als Konstituent
enthalten. Dies kann bis zu den so genannten „Gluonenbällen“ gesteigert werden, die
gar keine Quarks enthalten, sondern ausschließlich aus Gluonen bestehen. Derarti-
ge Zustände sind laut der QCD erlaubt, wurden bis jetzt aber noch nicht definitiv
nachgewiesen. Es zeigten sich jedoch bei einigen Experimenten Kandidaten für der-
artige Zustände. Diese zeichnen sich durch „exotische“ Quantenzahlen aus. Dies sind
Kombinationen aus Quantenzahlen wie Gesamtspin, Parität und Ladungskonjuga-
tion, die bei Teilchen, die nur aus zwei oder drei Quarks bestehen, nicht vorkommen
können. Tetra- oder Pentaquarks, wie in Abschnitt 2.1.1 erwähnt, hätten ebenfalls
Eigenschaften, wie sie bei den bis jetzt sicher nachgewiesenen Teilchen nicht vor-
kommen können [Nak10].
2.3 Antimaterie
2.3.1 Gegenstück der Materie
Alle Quarks und die Leptonen besitzen ein Gegenstück in Form eines Antiteilchens.
Dieses stimmt mit dem jeweiligen Teilchen in Masse, Spin und magnetischem Mo-
ment überein, die additiven Quantenzahlen wie Ladung, Leptonenzahl, Baryonen-
zahl etc. haben jedoch das entgegengesetze Vorzeichen. Die Existenz von Antiteil-
chen wurde bereits vor ihrer Entdeckung aus der Dirac-Gleichung abgeleitet. Diese
sagt für jeden Zustand mit der Energie +E einen zusätzlichen Zustand mit der Ener-
gie −E voraus. Da eine „negative Energie“ unphysikalisch ist, wurde dieses Ergebnis
als Gegenstück mit entgegengesetzer Ladung interpretiert, was durch die Entdeckung
des Positrons bestätigt wurde. Teilchen, die aus mehreren Quarks zusammengesetzt
sind, können ihr eigenes Antiteilchen sein, wenn alle additiven Quantenzahlen 0 sind.
Dies trifft beispielsweise auf das π 0 zu. Auch einige der Eichbosonen sind ihr eige-
nes Antiteilchen wie das γ und das Z 0 . Bei den Neutrinos werden in der Theorie
derzeit Neutrinos und Antineutrinos wie bei den anderen Leptonen unterschieden.
Allerdings ist es im Gegensatz zu diesen experimentell noch nicht erwiesen, dass
Neutrinos und Antineutrinos tatsächlich verschieden sind. Es ist theoretisch auch
möglich, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind [Nak10].
2.3.2 Annihilation
Schießt man ein Teilchen und sein Antiteilchen aufeinander, so können diese an-
nihilieren, das heißt sich gegenseitig vernichten. In diesem Fall steht die gesamte
Ruheenergie beider Teilchen zuzüglich der kinetischen Energie vor der Kollision,
also E = 2mc2 + Ekin , zur Erzeugung neuer Teilchen zur Verfügung [Dem04]. Da
sich die additiven Quantenzahlen im Eingangskanal dieser Reaktion immer zu null
addieren können im Ausgangskanal Teilchen gebildet werden, deren Erzeugung bei
einer Teilchen-Teilchen-Kollision durch verbotene Übergänge unterdrückt wäre. Bei
einer pp-Annihilation können dagegen Teilchen mit exotischen Quantenzahlen direkt
erzeugt werden [Ern09].
83 Das PANDA-Experiment
3.1 Ziele
Das PANDA-Experiment (Antiproton Annihilation at Darmstadt) befindet sich
derzeit in der Planungsphase und soll in den nächsten Jahren am Beschleunigerzen-
trum FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) in Darmstadt aufgebaut wer-
den. Die PANDA-Kollaboration ist ein internationaler Verbund von 55 Institutionen
mit mehr als 450 Wissenschaftlern. Ziel des Experimentes ist die Untersuchung von
Proton-Antiproton-Kollisionen. Hierdurch eröffnen sich vielfältige Möglichkeiten zur
Untersuchung der in Kapitel 2 vorgestellten physikalischen Grundlagen und einen
tieferen Einblick in noch nicht (vollständig) geklärte Bereiche der Teilchenphysik
zu erhalten. pp-Kollisionen sind dafür besonders interessant, da sich alle Quanten-
zustände direkt erzeugen lassen. Bei e− e+ -Kollisionen ist dies nicht möglich, da
in diesem Fall die Quantenzahlen aufgrund des beteiligten virtuellen Photons auf
J P C = 1−− festgelegt sind. PANDA soll unter anderem die Charmonium- und Open-
Charm-Spektroskopie, D und Ds -Zustände sowie Hyperkerne untersuchen und die
Existenz von Gluebällen und Hybriden wenn möglich verifizieren [Ern09].
3.2 Facility for Antiproton and Ion Research
Die Beschleunigeranlage FAIR wird die Antiprotonenstrahlen für das PANDA-Expe-
riment zur Verfügung stellen. PANDA wird am HESR (High Energy Storage Ring)
stehen. Dieser soll Antiprotonenstrahlen mit Energien von 1,5 GeV bis 15 GeV zur
Verfügung stellen. Neben dem Energiebereich stellt das PANDA-Experiment hohe
Anforderungen an den Beschleuniger, der Strahlen mit einer geringen Unschärfe bei
gleichzeitig hoher Intensität liefern muss. Der HESR ermöglicht hierzu zwei ver-
schiedene Betriebsmodi. Der eine bietet eine Luminosität von 1031 cm−2 s−1 bei
einer Impulsunschärfe von ∆p · p−1 = 10−5 , der andere eine höhere Luminosität von
1032 cm−2 s−1 bei einer erhöhten Impulsunschärfe von ∆p · p−1 = 10−4 [Fac12].
3.3 Der PANDA-Detektor
PANDA ist ein Fixed-Target-Experiment, die Antiprotonen aus dem HESR-Strahl
treffen also auf (nahezu) ruhende Protonen. Abbildung 3.2 zeigt einen Überblick
über den Aufbau des Detektors, der in den folgenden Abschnitten näher erläutert
wird.
Um die im Physikprogramm genannten Ziele zu erreichen, muss der PANDA-
Detektor folgende Kriterien erfüllen:
• Nahezu 4π Raumwinkelabdeckung
93 Das PANDA-Experiment 3.3 Der PANDA-Detektor
Abbildung 3.1: Übersicht der bestehenden (blau) und geplaten (rot) Einrichtungen
von GSI und FAIR [Fac12]
• Hohe Winkelauflösung für geladene und ungeladene Teilchen
• Hohe Energieauflösung
• Gute Möglichkeiten zur Identifikation vieler verschiedener Teilchen (Photonen,
Leptonen, Kaonen usw.)
• Kompatibilität mit den Ereignisraten von etwa 107 s−1
Zusätzlich soll der gesamte Detektor aus Gründen der Kosteneffizienz möglichst
kompakt sein.
Da PANDA ein Fixed-Target-Experiment ist, haben die Reaktionsprodukte eine
Vorzugsrichtung (Boost) in Strahlrichtung, die deshalb auch Vorwärtsrichtung ge-
nannt wird. Um der Asymmetrie Rechnung zu tragen ist der PANDA-Detektor in
ein Target- und ein Vorwärtsspektrometer eingeteilt.
3.3.1 Das Target
Für das Protonen-Target werden verschiedene Möglichkeiten in Betracht gezogen,
eventuell wird es am fertigen Detektor auch möglich sein, das Target auszutauschen,
um den Anforderungen verschiedener Messprogramme gerecht zu werden.
103 Das PANDA-Experiment 3.3 Der PANDA-Detektor
Abbildung 3.2: Überblick des PANDA-Detektors [PAN12b]
Cluster-Jet-Target
Bei einem ClusterJet-Target wird ein gekühltes Gas durch eine Düse mit einem
Durchmesser von wenigen Mikrometern in das Strahlrohr geleitet und in der Düse
zusätzlich gekühlt. Beim Austritt erreicht das Gas Überschallgeschwindigkeit. Bei
richtiger Wahl des Gases und seiner Parameter (Temperatur, Druck etc.) kondensiert
das Gas und es bilden sich Nanopartikel, die etwa 103 bis 105 Atome enthalten. Ein
Cluster-Jet-Target bietet eine homogene Anzahldichte der Nanoteilchen, eine scharfe
Abgrenzung des von ihnen ausgefüllten Volumens und eine konstate Winkelvertei-
lung. Somit wird eine Zeitstruktur in der Dichte und damit eine Zeitstruktur in der
Luminosität in erster Ordnung vermieden. Als Gas für das Cluster-Jet-Target wird
Wasserstoff erprobt, allerdings ist die Verwendung von Deuterium ebenso möglich
[PAN12a].
Pellet-Target
Bei einem Pellet-Target werden zunächst kleine Kugeln, genannt Pellets, aus gefro-
renem Wasserstoff erzeugt, deren Durchmesser etwa 20 µm bis 40 µm beträgt. Die
Produktion der Pellets findet außerhalb des Detektorvolumens statt. Die fertigen
Pellets fallen dann durch ein senkrechtes Rohr in das Strahlrohr, wo sie den Strahl
durchqueren und unten hinausgeführt und aufgefangen werden. Der Pellet-Strom
hat eine kleine Winkelverteilung, so dass der Interaktionspunkt zwischen Pellet und
Strahlteilchen mit einer Genauigkeit von ±1 mm bestimmt werden kann. Die Pel-
lets haben eine Fallgeschwindigkeit von 60 ms bei einer Pellet-Rate von 10.000 Pellets
pro Sekunde. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pellets beträgt somit
113 Das PANDA-Experiment 3.3 Der PANDA-Detektor
Abbildung 3.3: PANDA-Strahlrohr mit dem Pellet-Target, die übrigen Detektor-
Kompinenten sind ausgeblendet [PAN12a]
wenige Millimeter. In einem Pellet finden während seiner Durchquerung des Strahls
etwa 100 Teilchenkollisionen statt [PAN12a].
3.3.2 Das Target-Spektrometer
Mikrovertexdetektor
Den inneren Teil des Target-Spektrometers bildet der Mikrovertexdetektor (MVD).
Dieser besteht aus strahlenharten Silizium-Pixel und Silizium-Streifen-Detektoren
mit einer schnellen Ausleseelektronik. Designziele waren eine maximale Akzeptanz
Abbildung 3.4: Schema-Zeichnung des Mikrovertexdetektors [PAN12a]
(Teile mit Pixel-Detektoren in rot)
123 Das PANDA-Experiment 3.3 Der PANDA-Detektor
Abbildung 3.5: Schema-Zeichnung des Straw-Tube-Trackers [PAN12a]
nah am Interaktionspunkt sowie eine gute Rekonstruierbarkeit der Sekundärvertizes
bei D-Meson- und Hyperon-Zerfällen. Derzeit wird an einer Ausleseelektronik gear-
beitet, die es ermöglicht, die Daten des MVD kontinuierlich ohne externen Trigger
aufzunehmen [Ern09].
Der MVD besteht aus vier zylinderförmigen Schichten („barrel“) um den Inter-
aktionspunkt sowie sechs Scheiben in Vorwärtsrichtung (siehe Abbildung 3.4). Die
beiden inneren Zylinder und alle sechs Scheiben sind mit Silizium-Pixel-Detektoren
ausgestattet, die beiden äußeren Scheiben jedoch nur teilweise. Die verbleibenden
Teile des MVD sind mit doppelseitigen Silizium-Streifen-Detekoren instrumentiert.
Abbildung 3.4 zeigt eine Schemazeichnung des MVD, anhand derer die beidem In-
strumentierungsbereiche unterschieden werden können. Es wird eine Vertexauflösung
besser als 100 µm angestrebt [Ern11].
Central Tracker
Um den Mikrovertexdetektor herum befindet sich ein Straw-Tube-Tracker (siehe Ab-
bildung 3.5). Dieser besteht aus mit einer Argon-Kohlenstoffdioxid-Mischung gefüll-
ten Röhren mit einem Durchmesser von 10 mm. In der Mitte dieser Röhre befindet
sich ein Draht, an den eine Hochspannung von mehreren Kilovolt angelegt wird.
Wenn ein Teilchen das Gasvolumen durchquert so ionisiert es Gasatome. Die Ionen
driften daraufhin zur Wand, die Elektronen werden zum Draht beschleunigt. Wenn
sie, beschleunigt von der Hochspannung, eine ausreichende Geschwindigkeit errei-
chen, können sie weitere Atome ionisieren. Dies führt zu einem Lawineneffekt, der
das Signal verstärkt und messbar macht. Der Straw-Tube-Tracker besteht aus vielen
dieser Röhren, so dass aus den zusammengefassten Informationen der Einzelröhren
die Spur des Teilchens rekonstruiert werden kann.
133 Das PANDA-Experiment 3.3 Der PANDA-Detektor
(a) DIRC (b) TOF
Abbildung 3.6: CAD-Zeichnung des DIRC- und TOF-Systems
(die TOF-Zeichnung zeigt auch Teile des Vorwärts-Spektrometers,
vgl. Abschnitt 3.3.3) [PAN12a]
Teilchenidentifikation
Zur Teilchenidentifikation kommt im Target-Spektrometer ein DIRC-Detektor (De-
tection of Internally Reflected Cherenkov light) zum Einsatz (siehe Abbildung 3.6).
Dieser besteht aus 1,7 cm dicken Quartz-Platten mit einem Brechungsindex von
n = 1,47, in denen Teilchen mit lokaler Überlichtgeschwindigkeit1 unter einem cha-
rakteristischen Winkel Licht abgeben, die Čerenkov-Strahlung. Dieses Licht wird
innerhalb der Quartz-Platten durch Totalreflexion weitergeleitet und so aus dem
Barrel herausgeführt. Am Ende sitzen Photomultiplier-Einheiten, die das Licht de-
tektieren [PAN12a]. Da aus der Messung des Emissionswinkels des Čerenkov-Lichtes
die Geschwindigkeit des Teilchens berechnet werden kann, ist die Berechnung der
Teilchenmasse möglich, da sich aus der Krümmung der Spur im Magnetfeld, die von
den Tracking-Detektoren aufgenommen wird, der Impuls der Teilchen ergibt. Aus
der Masse des Teilchens kann auf seine Art (Elektron, Pion, Kaon etc.) geschlossen
werden.
Für Teilchen, die die Čerenkov-Grenzgeschwindigkeit unterschreiten, muss eine
alternative Möglichkeit zur Geschwindigkeitsmessung gefunden werden. Dies wird
über eine Messung der Flugzeit („time of flight“, kurz TOF) erreicht. Daher sind im
Barrel reine Time-Of-Flight-Detektoren aus Szintillatorstreifen für langsame Teil-
chen geplant. Diese müssen eine Zeitauflösung im Bereich von 50 ps haben. Da es
keinen Detektor gibt, der ein Startsignal für die Flugzeitmessung geben kann, müs-
sen Zeitdifferenzen zwischen mindestens zwei Teilchen gemessen werden [Ern09].
Elekromagnetisches Kalorimeter
An den Central Tracker schließt sich das elektromagnetische Kalorimeter (EMC) an.
Dieses besteht aus dem Fass (Barrel) sowie der Vorwärts- und der Rückwärtsendkap-
1
Lokale Überlichtgeschwindigkeit bezeichnet eine Geschwindigkeit über der Lichtgeschwindigkeit
in dem jeweiligen Medium c · n−1 , jedoch unter der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit c
143 Das PANDA-Experiment 3.3 Der PANDA-Detektor
Tabelle 3.1: Eigenschaften der Bleiwolframat-Kristalle für das EMC [Ern08]
Dichte % 8,28 g · cm−3
Strahlungslänge X0 0,89 cm
Molière-Radius RM 2,00 cm
Abklingzeit τdecay 6,5 ns
Emissions-Wellenlänge λmax 420 nm
Relative Lichtausbeute (vergl. mit NaI) LY 0,6% (T = 20 ◦ C)
2,5% (T = −25 ◦ C)
Energieverlust minimalion. Teilchen dE/dx 10,2 MeV · cm−1
Temperaturabh. der Lichtausbeute dLY/dT −3,0% · ◦ C−1 (T = 20 ◦ C)
pe. Abbildung 3.7 zeigt eine schematische Übersicht, in der die Rückwärtsendkappe
jedoch nicht eingezeichnet ist. Das EMC dient dazu, die Teilchen abzubremsen bzw.
zu stoppen und die im Kalorimeter deponierte Energie zu messen. Dies gilt insbe-
sondere für den Nachweis von Elektronen, Positronen und Photonen, die aufgrund
der Kristalllänge in nahezu jedem Fall vollständig gestoppt werden können. Dazu
ist das EMC mit Szintillatoren ausgestattet, welche die deponierte Energie in Licht
umwandeln, was dann mit Photodetektoren gemessen werden kann. Beim EMC des
PANDA-Detektors wird Bleiwolframat (PbWO4 ) als Szintillationsmaterial verwen-
det. Bleiwolframat zeichnet sich durch eine schnelle Abklingzeit von weniger als
6,5 ns aus. Aufgrund der kompakten Bauweise des EMC und der zu erwartenden
Ereignisraten bei PANDA ist eine derart geringe Abklingzeit erforderlich, um Pile-
up zu minimieren. Des Weiteren zeichnet sich Bleiwolframat durch eine hohe Strah-
lenhärte aus. Die Lichtausbeute von Bleiwolframat ist jedoch gering, sie beträgt nur
etwa 2,5% der Lichtausbeute von Natriumiodid bei einer Temperatur von −25 ◦ C.
Tabelle 3.1 zeigt eine Übersicht der Eigenschaften des Materials Bleiwolframat, wie
es bei den Kristallen für das PANDA-Kalorimeter zum Einsatz kommt. [Ern08] Die
Vorwärtsendkappe wird in Abschnitt 3.4 noch ausführlicher beschrieben, da diese
Arbeit im Rahmen der Entwicklung eines Prototypen für die Vorwärtsendkappe an
der Ruhr-Universität Bochum entstanden ist.
Die bisher beschriebenen Bauteile vom MVD bis zum EMC werden von einem
supraleitenden Solenoid-Magneten umfasst. Dieser erzeugt ein Feld von 2 T, dass
im Bereich des MVD und Central Tracker bis auf 2% homogen ist.
3.3.3 Das Vorwärts-Spektrometer
Das Vorwärts-Spektrometer ergänzt die Detektoren des Target-Spektrometers für
Teilchen, die unter einem Winkel von weniger als 22◦ zur Strahlachse emittiert wer-
den. Diesen Bereich kann das Target-Spektrometer nicht abdecken, da das Strahlrohr
diesen Bereich einnimmt. Zu den Detektoren im Target-Spektrometer findet sich je
ein Pendant im Vorwärts-Spektromter, mit Ausnahme des Mikro-Vertex-Detektors.
Das Tracking der Teilchen wird hier durch Drahtkammern realisert. An Stelle
eines Solenoiden reicht im Vorwärts-Bereich ein einfacher Dipol-Magnet aus. Zur
153 Das PANDA-Experiment 3.4 Die Vorwärtsendkappe des EMC
Abbildung 3.7: CAD-Zeichnung des elektromagnetischen Kalorimeters [Ern08]
Die Rückwärtsendkappe ist in dieser Ansicht ausgeblendet. Die
Zeichnung gibt den Planungsstand von 2008 wieder, die aktuelle Pla-
nung für die Vorwärtsendkappe zeigt Abb. 3.8 [PAN12a].
Teilchenidentifikation wird ein RICH-Detektor aufgebaut. Zur Flugzeitmessung wer-
den vor und hinter dem Dipol-Magnet Wände aus Plastik-Szintillatoren aufgestellt.
Das Vorwärts-Spektrometer enthält ebenfalls ein elektromagnetisches Kalorimeter,
in diesem Fall ein Schaschlik-Kalorimeter, dass aus Blei-Szintillator-Schichten be-
steht.
3.4 Die Vorwärtsendkappe des EMC
3.4.1 Grundlegender Aufbau
Im Folgenden wird nur die Vorwärtsendkappe des elektromagnetischen Kalorimeters
im Target-Spektrometer behandelt, da das Vorwärts-Spektrometer in dieser Arbeit
nicht untersucht wurde. Der aktuelle Planungsstand der Endkappe ist in Abbildung
3.8 gezeigt. Wie im Abschnitt 3.3.2 erläutert, nutzt das EMC Bleiwolframat als
Szintillatormaterial. Dieses liegt in Form von Einkristallen vor, Tabelle 3.2 gibt eine
Übersicht über ihre Eigenschaften. Die Kristalle sind in den so genannten Alveolen
gelagert. Diese bestehen aus Karbonfasern und haben die äußere Form eines Pyra-
midenstumpfes. Eine Alveole beherbergt 16 Kristalle. In der Alveole befinden sich
163 Das PANDA-Experiment 3.4 Die Vorwärtsendkappe des EMC
Abbildung 3.8: CAD-Zeichnung der Vorwärtsendkappe des EMC [PAN12b]
Trennwände, die ebenfalls aus Karbonfasern bestehen und die Alveole in 16 Fächer
für die Kristalle aufteilen. An der Rückseite, d.h. der dem Interaktionspunkt ab-
gewandten Seite, sind Aluminiumbauteile in die Alveole eingeklebt. Diese werden
als „interface pieces“ bezeichnet und nehmen die Photodetektoren auf. Die Photo-
detektoren werden durch die „mount plate“ fixiert. Die gesamte Subunit wird dann
mit Hilfe der eingeklebten Bauteile an die zentrale Konstruktion der Vorwärtsend-
kappe, die Backplate, angeschraubt. Die Backplate trägt das gesamte Gewicht und
enthält Leitungen für das Kühlmittel. Auf der Rückseite der Backplate werden die
Versorgungs- und Signalleitungen verlegt und über Durchführungen in einem PVC-
Rahmen nach außen geführt. Nach Vorne werden die Alveolen von der Fronthülle
umschlossen, die ebenfalls an der Backplate befestigt wird. Hinten wird der Detektor
mit einem Deckel abgeschlossen. Innerhalb des Detektors entsteht somit ein von der
Außenwelt isoliertes Volumen. Dieses wird auf −25 ◦ C gekühlt, was die Lichtausbeu-
te der PbWO4 -Kristalle um den Faktor 4 erhöht [Ern09]. Um die Bildung von Eis
zu vermeiden muss das Detektorvolumen luftdicht verschlossen sein und die Luft in
dem Volumen getrocknet werden.
3.4.2 Der Proto192
Um die Realisierbarkeit der geplanten Vorwärtsendkappe des EMC zu beweisen,
wurde am Lehrstuhl für experimentelle Hadronenphysik der Ruhr-Universität Bo-
chum ein Prototyp aufgebaut, der als Proto192 bezeichnet wird. Dieser entspricht
173 Das PANDA-Experiment 3.4 Die Vorwärtsendkappe des EMC
Tabelle 3.2: Eigenschaften der Bleiwolframat-Kristalle der Vorwärtsendkappe des
EMC [Ern08]
Abmessungen l·b·h 200 · 20 · 20 mm3
Lichtausbeute LY 18 bis 20 Photonen pro MeV (T = 18 ◦ C)
Dicke d ca. 22 · X0
Transmittivität T ≥ 35% bei λ = 360 nm
≥ 60% bei λ = 420 nm
≥ 70% bei λ = 620 nm
einem Ausschnitt aus der geplanten Endkappe direkt an der inneren Aussparung für
das Strahlrohr und enthält 216 Kristalle aus Bleiwolframat. Der Ausschnitt, der für
den Proto192 gewählt wurde, liegt direkt an der Strahlrohrdurchführung der End-
kappe. Dies wird in Abbildung 3.10 illustriert, bei der die aus Aluminium gefertigte
Backplate (s.u.) des Proto auf einem Holzmodell der Endkappen-Backplate liegt.
Abbildung 3.9 zeigt eine CAD-Zeichnung des Proto192 mit Aufhängung und Kühl-
system. Derzeit existieren 4 verschiedene Typen von Photodetektoren, die bezüglich
ihrer Eignung für die Verwendung im PANDA-Detektor untersucht werden:
• Vakuum-Phototrioden (VPTs) von Hamamatsu Photonics
• Vakuum-Phototetroden (VPTTs) von Hamamatsu Photonics
• Vakuum-Phototetroden von Research Institute Electro (RIE)
• Avalanche-Photodioden (APDs) von Hamamatsu Photonics
Der Proto192 dient der Untersuchung dieser Photodetektoren mit dem Ziel, eine
begründete Entscheidung über die Photodetektoren treffen zu können, die in die
Endkappe eingebaut werden. Darüber hinaus dient der Proto192 dem Test des Kühl-
systems, der Temperaturüberwachung sowie der gesamten Versorgungs- und Ausle-
seelektronik:
Die Lichtausbeute von Bleiwolframat ist stark von der Temperatur der Kristalle
abhängig. Aus diesem Grund soll die Temperatur in der Endkappe auf ±0,5 ◦ C kon-
stant gehalten werden [Ern08]. Um dies zu kontrollieren sind Temperatursensoren
an den Kristallen befestigt, die eigens für diesen Zweck an der Ruhr-Universität Bo-
chum entwickelt wurden. Die Temperatur wird über den temperaturempfindlichen
Widerstand eines Platin-Drahtes im 4-Draht-Verfahren gemessen. Die Sensoren mit
dem Platindraht und den Kupfer-Zuleitungen sowie beidseitgen Folien zur Isolierung
haben eine Dicke von weniger als 0,1 mm und passen so in den kleinen Zwischen-
raum zwischen PbWO4 -Kristall und Alveolenwand. In Abschnitt 3.5 werden diese
Temperatursensoren näher beschrieben. Die Leitungen der Sensoren werden auf da-
für entwickelten Platinen durch die Isolierung des Proto192 geführt und außen über
Flachbandkabel an einen THMP angeschlossen. Der THMP (Temperature and Hu-
midity Monitoring for PANDA) ist ein an der Ruhr-Universität Bochum entwickeltes
Gerät zur Auslese der Sensoren im Proto192, das auch in der Endkappe zum Einsatz
kommen soll. Vom THMP werden die digitalisierten Daten über einen CAN-Bus zu
einem Computer übertragen und dort in Temperaturen umgerechnet.
183 Das PANDA-Experiment 3.4 Die Vorwärtsendkappe des EMC
Abbildung 3.9: CAD-Zeichnung des Proto192 [PAN12b]
Das Kühlsystem, dass die Temperatur innerhalb des Proto192 auf ±0,01 ◦ C kon-
stant halten muss, besteht aus drei Kühlkreisläufen:
Der erste Kühlkreislauf, genannt Hauptkühlung, kühlt die Backplate. Dazu wur-
den in die Backplate Leitungen gebohrt, in denen das Kühlmittel zirkuliert. Ober-
halb der Backplate befindet sich ein Verteiler, der das Kühlmittel auf die Vorläufe
verteilt und die Rückläufe wieder zusammenfasst. Unten in der Backplate sind Vor-
und Rücklauf über U-Stücke verbunden. Vom Verteiler aus wird das Kühlmittel
über isolierte Schläuche zu dem Kühlaggregat vom Typ Julabo LH47 geleitet. Als
Kühlmittel kommt ein 1 : 1-Gemisch von Methanol und Wasser zum Einsatz.
Der zweite Kühlkreislauf, genannt Frontkühlung, kühlt die Vorderseite der Front-
hülle. Hierzu wurden dort ein Plastikschlauch verlegt, der von außen wiederum über
isolierte Schläuche an ein zweites Kühlaggregat angeschlossen ist.
Bei dem dritten Kühlkreislauf handelt es sich um die Luftkühlung. Hierzu wir
Druckluft zunächst gereinigt und getrocknet. Dann durchströmt sie einen Wärme-
193 Das PANDA-Experiment 3.4 Die Vorwärtsendkappe des EMC
Abbildung 3.10: Backplate des Proto192 als Ausschnitt aus der Backplate der End-
kappe [PAN12b]
tauscher, der sich im Bad eines dritten Kühlaggregates befindet. Dort wird sie eben-
falls auf die Zieltemperatur abgekühlt und dann in einem Schlauch zum Prototypen
geleitet. Damit die Luft sich während des Weges nicht wieder aufheizt, verläuft
der Luftschlauch innerhalb eines mit Methanol-Wasser-Gemisch gefüllten Schlau-
ches, das ebenfalls vom Luftkühler gekühlt wird. Im Proto192 wird die Luft auf die
Rückseite der Backplate geleitet. Dann strömt sie zwischen den Alveolen und Kris-
tallen durch nach vorne, wo sich eine Öffnung befindet, die zum Luftauslass führt.
Der Luftstrom kann mit Magnetventilen im Ein- und Auslass gesteuert werden. Die
Luftkühlung dient nicht nur der Kühlung, sondern auch der Trocknung des Innen-
raums. Dies ist zum Erreichen einer Temperatur von −25 ◦ C zwingend erforderlich.
Andernfalls würde sich die Luftfeuchtigkeit als Eis im Detektor niederschlagen und
zu Problemen führen. Insbesondere könnte das beim Aufwärmen wieder zu Wasser
gewordene Eis Kurzschlüsse auslösen.
Die Signale der Photodetektoren gelangen von dem Detektor zunächst in einen
Vorverstärker, der direkt hinter dem Detektor montiert ist. Diese Vorverstärker wur-
den von der Gruppe für experimentelle Teilchenphysik der Universität Basel für das
PANDA-Experiment entwickelt. Designziel war unter anderem ein möglichst rausch-
203 Das PANDA-Experiment 3.5 Ultradünne Temperatursensoren
armer Vorverstärker. Von dem Vorverstärker werden die Signale über die Signalpla-
tinen aus dem isolierten Volumen herausgeführt. Diese Platinen wurden ebenfalls
an der Ruhr-Universität Bochum entwickelt und sind so gestaltet, dass die Signale
wie in einem 50Ω-Koaxialkabel weitergeleitet werden. Nach dem Verlassen der Iso-
lierung werden die Signal mit Koaxialkabeln zum Shaper weitergeleitet. Die Shaper
verfügen über zwei Ausgänge zu jedem Eingang. Der eine Eingang („x1“ oder „low
gain“) gibt das geshapte Signal unverändert aus, am zweiten Ausgang („x16“ oder
„high gain“) wird dieses Signal um einen Faktor von etwa 16 verstärkt ausgegeben.
Durch produktionsbedingte Unsicherheiten sind die beiden Faktoren nicht bei al-
len Shaper-Kanälen gleich und müssen im Rahmen der Kalibration für jeden Kanal
individuell bestimmt werden. Diese Shaper wurden am am Kernfysisch Versneller In-
stituut (KVI) der Universität Groningen (Niederlande) für das PANDA-Experiment
entwickelt. Zum Schluss gelangen die Signale zum Analog-Digital-Konverter (ADC)
vom Typ Wiener AVM16, wo sie digitalisiert werden. Diese ADCs wurden an der
Universität Uppsala entwickelt, es handelt sich ebenfalls um eine Entwicklung spe-
ziell für das PANDA-Experiment.
3.5 Ultradünne Temperatursensoren
Eine besondere Herausforderung beim Proto192 stellt die Überwachung der Kris-
talltemperatur dar. Zwischen den Kristallen und der Alveolenwand ist nur ein sehr
kleiner Zwischenraum. Unnötige Luft muss an dieser Stelle vermieden werden, um
einen guten Wärmeübergang vom Kristall zur Alveole und zum Insert zu gewährleis-
ten. Dies ist notwendig, um Wärme aus dem Kristall über die Kühlung abführen zu
können und den Kristall somit auf die Zieltemperatur abkühlen zu können. Die ver-
wendeten Sensoren sind eine Eigenentwicklung der Ruhr-Universität Bochum und
haben eine Dicke von weniger als 0,1 mm. Im Rahmen dieser Master-Arbeit wurde
das Herstellungsverfahren überarbeitet und verbessert:
Ausgangsmaterial für die Sensor-Rohlinge ist eine mit Kupfer beschichtete Po-
lyimid-Folie2 . Hieraus werden in einem nasschemischen Verfahren die Zuleitungen
und Kontaktpads der Sensoren hergestellt. Dazu werden die Leitungen und Pads
aufgezeichnet und auf eine Folie im Format DIN A3 gedruckt. Wichtig ist hierbei
der Druck im Negativ-Verfahren, d.h. an der Stelle der Leiterbahnen ist die Folie
durchsichtig, andernfalls schwarz. Auf ein passend zugeschnittenes Stück der kupfer-
beschichteten Polyimid-Folie wird ein lichtempfindlicher Lack aufgetragen. Danach
ist die Folie bis zum Abschluss der Entwicklung so wenig wie möglich dem Umge-
bungslicht auszusetzen.
An den Stellen, an denen später Leiterbahnen entstehen sollen, wird der licht-
empfindliche Lack nun photochemisch ausgehärtet. Dazu wird die Folie mit den
Leiterbahnen aufgelegt und der Folienstapel für einige Minuten mit ultraviolettem
Licht bestrahlt. Die Leiterbahnen und Kontaktpads sind danach auf der beschichte-
ten Kapton-Folie deutlich zu erkennen.
Im nächsten Arbeitsschritt muss der ungehärtete Lack, der sich unter den schwar-
zen Stellen der Folievorlage befand, von der Polyimid-Folie entfernt werden. Als
2
Polyimid ist auch unter dem Handlesnamen „Kapton“ bekannt
213 Das PANDA-Experiment 3.5 Ultradünne Temperatursensoren
Entwickler kommt die Chemikalie Natriumcarbonat (Na2 CO3 ) zum Einsatz, von der
10 g in 1 L Wasser aufgelöst werden. Die Polyimid-Folie wird in ein Bad aus Na-
triumcarbonatlösung eingelegt, nach einigen Minuten kann der Lack mit der Hand
einfach abgerieben werden. Dieser Vorgang ist dann abgeschlossen, wenn neben den
Leiterbahnen überall blankes, glänzendes Kupfer zu sehen ist, dass keinen blauen
Schimmer mehr trägt. Die Polyimid-Folie muss danach gründlich mit Wasser gespült
werden, um alle Reste der Entwicklerchemikalie zu entfernen.
Im folgenden Schritt wird alles Kupfer außerhalb der Leiterbahnen entfernt, so
dass nur diese übrig bleiben. Hierzu kommt ein Ätzbad aus einer Natriumperoxodi-
sulfat-Lösung3 (Na2 S2 O8 ) von 250 g auf 1 L Wasser zum Einsatz. Gegenüber dem
üblicherweise in der Platinenherstellung verwendeten Eisen(III)chlorid (FeCl3 ) hat es
den Vorteil, dass es ein feineres Ätzergebnis erzeugt. Im Rahmen der Arbeiten an den
Temperatursensoren wurde festgestellt, dass Eisen(III)chlorid zu ihrer Herstellung
nicht geeignet ist. Das Ätzbad ist auf etwa 50 ◦ C bis 55 ◦ C aufzuheizen.
An der Ablösung des Kupfers ist dabei nur das Säurerestion S2 O2−1 8 beteiligt, die
Natriumionen Na+ sind für die Reaktion irrelevant. Das Säurerestion enthält Sauer-
stoff in der instabilen Oxidationsstufe −1, wodurch es zum starken Oxidationsmittel
wird. Diese Sauerstoffatome entziehen im Rahmen der Reaktion den Kupferatomen
Elektronen, wodurch das Kupfer oxidiert wird und sich als Cu2+ -Ion im Wasser löst.
Die vollständige Reaktionsgleichung lautet: S2 O2− 2− 2+
8 (aq) + Cu(s) −→ 2 SO4 (aq) + Cu(aq)
[JSFS81]
Nachdem alles Kupfer außerhalb der Leiterbahnen entfernt wurde, kann die Folie
aus dem Ätzbad entnommen werden. Das Ätzergebnis sollte umgehend optisch über-
prüft werden. Falls an einigen Stellen Kupfer nicht entfernt wurde, so wurde dort
möglicherweise der Lack bei der Entwicklung nicht vollständig entfernt. In diesem
Fall ist es möglich, die Folie „nachzuentwickeln“. Dazu wird sie gründlich mit Wasser
gespült und nochmals in das Entwicklerbad gelegt. Nach einer nochmaligen Spülung
mit Wasser kann sie noch einmal in das Ätzbad gelegt werden, um das überflüssige
Kupfer nun zu entfernen.
Nach dem Ätzen wird die Polyimid-
Folie mit Wasser gespült und getrock-
net. Zum Schluss ist noch der Lack auf
den Leiterbahnen und Kontaktpads zu
entfernen. Dazu wird die Folie in ein
Bad aus Ethanol (C2 H5 OH) oder 2-
Propanol4 (C3 H8 O) gelegt, bis der Lack
sich ablöst. Danach können die einzel-
nen Sensor-Rohlinge aus der Polyimid-
Folie ausgeschnitten werden. Die Kon-
taktpads der Sensor-Rohlinge werden
nun durch Galvanisierung vergoldet.
Abbildung 3.11: Ein fertiger Temperatur-
Die Temperaturmessung der Sensoren
sensor [PAN12b]
3
Beim Umgang mit Natriumperoxodisulfat sollten Schutzhandschuhe aus Nitril getragen werden.
Gewöhnliche Latex-Handschuhe werden von der Chemikalie durchdrungen.
4
2-Propanol ist auch bekannt als Isopropanol.
223 Das PANDA-Experiment 3.5 Ultradünne Temperatursensoren
erfolgt über die temperaturabhängige
Änderung des Widerstandes eines Platin-Drahtes. Hierzu wird ein Stück Polyimid-
Klebeband, das eine Dicke von 55 µm hat, auf eine speziell angefertigte Pfostenleiste
gesteckt und Platindraht mit einem Durchmesser von 25 µm entlang der Pfosten ge-
wickelt. Schlussendlich erhält man so die Sensorfläche mit zwei abgehenden Leitun-
gen. Nun werden die vergoldeten Sensorpads des Sensor-Rohlings mit Silberleitkleber
bestrichen und das Klebeband mit dem Platindraht auf den Sensor-Rohling geklebt,
so dass die beiden abgehenden Drähte mit den Kontaktpads verbunden werden.
Abschließend werden die freiliegenden Leiterbahnen zur elektrischen Isolierung
mit Polyimid-Klebeband überklebt. Die Produktion des Sensors ist somit abgeschlos-
sen. Da der Produktionsprozess nicht exakt reproduzierbar ist, muss jeder Sensor
anschließend individuell kalibriert werden.
Bei der Entsorgung der Ätzabfälle ist zu beachten, dass Kupfer nicht in das Abwas-
ser gelangen darf, da es sehr giftig für Wasserorganismen ist (Wassergefährdungs-
klasse 2). Natriumperoxodisulfat sollte, in Wasser gelöst, nicht in verschlossenen
Behältern gelagert werden, da es dort unter Abgabe von Sauerstoff in Natriumhy-
drogensulfat zerfällt (Na2 S2 O8 + H2 O −→ 2 NaHSO4 + O) und das freigesetzte Gas
das Platzen des Behälters verursachen kann [JSFS81].
23Sie können auch lesen
