Detector Development for Future Lepton Colliders

Die Realisierung eines Elektron-Positron Linear Colliders mit einer Schwerpunktsenergie von bis zu 1000 GeV wird weltweit als das nächste wichtige Projekt angesehen, um viele der noch offenen Fragen auf dem Gebiet der Teilchenphysik zu klären. Die gegenwärtigen weltweiten Aktivitäten sind im Projekt des International Linear Colliders (ILC) zusammengefasst. Dieses Projekt bietet die einzigartige Möglichkeit, die fundamentalen Fragestellungen zu untersuchen, die nicht oder nur unzureichend von den Experimenten am LHC beantwortet werden können. Hierzu gehören zum Beispiel die hochpräzise Messung der Eigenschaften der W- und Z-Bosonen, das Studium der Paarproduktion von Top-Quarks zur Bestimmung seiner Eigenschaften, Präzisionsmessungen auf dem Higgs-Sektor und auch genaue Studien von Physik jenseits des Standardmodells, die möglicherweise am LHC entdeckt werden wird.

Für die geplanten Messungen am ILC ist die Entwicklung eines Detektors notwendig, dessen Messgenauigkeit die existierender Detektoren in der Hochenergiephysik um eine Grössenordnung übersteigt. Ein dabei verfolgtes Konzept ist der sogenannte "Particle Flow"-Ansatz, der Spur- und Kalorimeterdaten kombiniert, um Multi-Jet-Ereignisse mit höchstmöglicher Energieauflösung zu rekonstruieren. Wegen der hierzu notwendigen extrem guten Schauerseparation sowohl in transversaler als auch in longitudinaler Richtung, erfordert dieser Ansatz ein Kalorimeter mit sehr hoher Granularität. Unterschiedliche Konzepte werden im Rahmen der CALICE Kollaboration in weltweiter Zusammenarbeit für den elektromagnetischen (ECAL) und den hadronischen Teil (HCAL) eines solchen Kalorimeters verfolgt.

Das Kirchhoff-Institut der Universtät Heidelberg beteiligt sich an Forschung und Entwicklung für den hadronischen Teil des ILC Kalorimeters und den Forschungsarbeiten in Bezug auf das "Particle-Flow"-Konzept. Dies geschieht in enger Zusammenarbeit mit dem DESY und der Universität Hamburg.

Um die gewüschte Granularität zu erreichen, verwenden die ersten HCAL-Prototypen szintillierende Kacheln, die mit Hilfe kleiner, kompakter Photodetektoren mit schnellen Antwortzeiten ausgelesen werden müssen. Potentielle Kandidaten sind zur Zeit Photodetektoren auf Siliziumbasis, die in den letzten Jahren eine immer wichtigere Rolle bei der Entwicklung neuer Detektoren für die Hochenergiephysik spielen. Um herauszufinden, ob die im HCAL-Prototypen augenblicklich verwendeten Silizium-Photomultiplier den hohen Ansprüchen genügen, müssen ihre Eigenschaften detailliert vermessen werden. Dazu wird in der Gruppe gerade eine geeignete Meßapparatur aufgebaut, mit der u.a. die Quanteneffizienz solcher kompakter Photomultiplier vermessen werden soll.

Ein erster Prototyp eines möglichen HCAL-Kalorimeters für den ILC-Detektor wurde im Frühjahr 2006 am DESY fertiggestellt und bereits mit Teststrahlen am DESY und am CERN untersucht. Im Sommer 2007 hat die CALICE-Kollaboration am SPS des CERN Daten mit den vollbestückten ECAL- und HCAL-Prototypen aufgenommen. In der selben Konfiguration sind für 2008 Messungen am Fermilab in Chicago geplant. Die aufgenommenen Daten werden hadronische Schauerdaten mit nie dagewesener Granularität liefern. Im Rahmen der Kollaboration beteiligt sich Heidelberg and der Aufnahme dieser Daten und deren Untersuchung. Dies soll letztendlich zu einem besseren Verständnis der Entwicklung hadronischer Schauer führen, was für eine erfolgreiche Umsetzung des "Particle-Flow"-Konzepts unumgänglich ist.