Μελέτη ανιχνευτή Micromegas σε δοκιμαστική δέσμη πιονίων ορμής 120 GeV/c στο H6/SPS/CERN

Abstract

Ο ανιχνευτής Micromegas αποτελεί την τελευταία γενιά των ανιχνευτών αερίου και έχει προταθεί να αντικαταστήσει τους ανιχνευτές στο Small Wheel του πειράματος ATLAS κατά την αναβάθμιση του πειράματος για τον sLHC. Τα βασικό προτέρημα του συγκεκριμένου ανιχνευτή είναι ότι χαρακτηρίζεται από χαμηλό κόστος κατασκευής συνδυάζοντας όμως εξαιρετικά χαρακτηριστικά λειτουργίας και ανθεκτικότητα σε περιβάλλον υψηλής φωτει- νότητας. Το πρόβλημα των εκφορτίσεων που είχε παρατηρηθεί στα πρωτότυπα μοντέλα της συγκεκριμένης τεχνολογίας έχει αντιμετωπιστεί με επιτυχία και οι resistive Micromegas πα- ρουσιάζουν ομαλή λειτουργία χωρίς να θυσιάζουν κανένα από τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά ανιχνευτικής ικανότητας που τους διακρίνουν.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται η ανάλυση των δεδομένων από τις περιόδους δοκιμαστικής δέσμης Ιουλίου και Οκτωβρίου 2011 με κύριο στόχο την εκτίμηση της χωρικής και χρονικής διακριτικής ικανότητας των ανιχνευτών. Παρουσιάζονται επίσης τα διάφορα λογισμικά εργαλεία που αναπτύχθηκαν και ενσωματώθηκαν στο πρόγραμμα offline ανάλυσης του ΜΑΜΜΑ group για την επεξεργασία των raw δεδομένων.

Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας περιγράφονται οι μηχανισμοί αλληλεπίδρασης φορτι- σμένων και μη σωματιδίων με την ύλη και εξηγούνται τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάδοση των στοιχειωδών σωματιδίων μέσα σε ένα υλικό. Οι αρχές λειτουργίας των ανιχνευτών αερίου αναφέρονται εκτενώς στο δεύτερο κεφάλαιο όπου μέσω μίας διαδρομής στην εξελικτική πορεία των συγκεκριμένων ανιχνευτών φτάνουμε στην παρουσίαση του ανιχνευτή Micromegas και την εξέλιξη αυτού περιγράφοντας τις αρχές λειτουργίας του και τα διάφορα χαρακτηριστικά του. Στο τρίτο κεφάλαιο της εργασίας περιγράφεται ο επιτα- χυντής LHC και τα διάφορα μέρη του πειράματος ATLAS στο οποίο θα εγκατασταθούν οι ανιχνευτές Micromegas. Η περιγραφή των ανιχνευτικών διατάξεων που χρησιμοποιήθηκαν στις περιόδους δοκιμαστικής δέσμης και η ανάλυση των δεδομένων μαζί με τα αποτελέσματα από τα πειράματα αυτά παρουσιάζονται στο τέταρτο κεφάλαιο μαζί με εκτενή περιγραφή όλης της διαδικασίας ανακατασκευής των τροχιών. Στο συμπληρωματικό παράρτημα στο τέλος παρατίθενται κάποια χρήσιμα κομμάτια των αλγορίθμων που αναπτύχθηκαν κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της παρούσας εργασίας.

This thesis main subject is the performance study of the resistive Micromegas Detector. Several small prototype chambers of this type with various strip configurations and different resistivity values were tested during the test beams of July and October 2011 which took place in H6 area at CERN.

The study of the detector which is presented here illustrates the excellent functional characteristics of the resistive detector determining a spatial resolution of less than 40 μm for a 250 μm strip pitch configuration. For this analysis the Silicon Tracker (BAT) of the H6 area, with an independent DAQ setup, has been used to reconstruct the reference tracks and extrapolate to the test chamber's plane. In order to use the silicon data as a valid reference they had to be synchronised with the data coming from the Micromegas DAQ system.

Moreover we confirm the ability of Micromegas detector to function as Time Projection Chamber being able to reconstruct inclined tracks with a resolution in the order of 3 degrees. We used the Hough transform technique to determine the track through pattern recognition and the developed algorithm illustrates promising performance and results. In order to use the timing information provided by the chamber an algorithm to describe the ADC charge of each readout channel has been developed overcoming the 25 ns uncertainty of the APV chip data.

The several software tools developed during this study have been implemented in the MAMMA group offline analysis software and are already used for the analysis of the group's test beam data

In conclusion, the excellent resolution characteristics of our chambers along with smooth operation at different beam situations are confirmed. As a future part of the New Small Wheel of the ATLAS experiment these results support its selection.