KIP-Veröffentlichungen

Das Mu3e-Experiment beabsichtigt, den nach dem Standardmodell verbotenen Zerfall μ → eee
mit einer Sensitivität von einem aus 10¹⁶ Zerfällen bei einem Konfidenzniveau von 90 % zu suchen.
Diverse Modelle jenseits des Standardmodells sagen eine Wahrscheinlichkeit des Zerfalls
voraus, die in experimentell zugänglichen Bereichen liegt. Ein Nachweis des Zerfalls μ → eee
wäre somit ein deutlicher Hinweis auf Physik jenseits des Standardmodells. Dafür ist ein
Detektor in der Entwicklung, der über äußerst präzise Vertex-, Zeit- und Impulsauflösung
verfügen muss, um Untergrund zu reduzieren und den gesuchten Zerfall eindeutig identifizieren
zu können. Der sogenannte Kacheldetektor, ein Teilmodul des gesamten Detektors, ist
dafür vorgesehen, Koinzidenzen der Zerfallsteilchen mit einer Zeitauflösung von unter 100 ps
nachzuweisen. Dies soll durch organische Szintillatoren erfolgen, die kurze Lichtpulse mit
schneller Anstiegs- und Abklingzeit sowie eine gute Lichtausbeute aufweisen. Deren Signale
sollen mit Silizium-Photomultipliern (SiPMs) augelesen werden. Diese Pixel-Photodetektoren
verfügen über eine sehr gute Zeitauflösung. Diese Arbeit untersucht den Szintillator auf dessen
Transmission und Anregungsverhalten. Des Weiteren werden Zeitauflösungsmessungen
mit einer Kombination aus Szintillator und SiPM durchgeführt, indem Teilchentreffer mit
einem UV-Laser simuliert werden. Dabei wird der Einfluss unterschiedlicher Betriebsparameter
wie beispielsweise die Lichtintensität untersucht. Bei einem Vergleich der Zeitauflösung
unterschiedlicher SiPMs erreicht ein SiPM des Herstellers KETEK mit einer aktiven Fläche
von 3×3 mm² den besten Wert. Er erzielt eine Zeitauflösung von 45 ps (rms) für eine mittlere
zu erwartende Lichtemission des Szintillators. Auch der Einsatz von Spiegelfolie um die
Szintillatorkacheln wird auf seinen Einfluss auf die Zeitauflösung untersucht.

The Mu3e-Experiment aims to search for the decay μ → eee with a sensitivity in one of 10¹⁶
decays at 90 % confidence level. This decay is forbidden in the SM, however, several existing
models beyond the Standard Model predict a branching ratio in an experimentally accessible
range. The detection of such a decay would therefore be a clear sign of new physics beyond
the Standard Model. In order to achieve the desired sensitivity a detector with extremely
precise vertex, time and momentum resolution is currently developed which is necessary to
sufficiently suppress background and distinctly identify the searched decay. The so called
tile detector, which is part of the whole detector, is designed to measure the coincidence
of the decay particles with a time resolution better than 100 ps. The detector consists of
organic scintillating tiles which provide short light pulses with a fast rise and decay time as
well as a good light yield. The scintillator is read out by Silicon Photomultipliers (SiPMs).
These pixelated photo detectors feature a very good time resolution. This thesis analyzes
the transmission and the excitation behavior of the scintillator. Futhermore time resolution
measurements are done with a combination of a scintillator and SiPMs by simulating particle
hits in the scintillator with light pulses of an UV laser. The influence on timing of different
operating parameters like light intensity are evaluated. In a comparison of the time resolution
of various SiPMs a 3×3 mm² sized SiPM of the manufacturer KETEK achieves the best
resolution. A time resolution of 45 ps (rms) is yielded for the expected mean light emission of
the scintillator. As well tests with reflecting foil surrounding the tile are performed to study
its effect on time resolution.