KIP-Veröffentlichungen

Ziel des Mu3e-Experiments ist, nach dem Leptonzahl verletzenden Zerfall μ+ → e+ e− e+ mit einer Sensitivität von eins in 10^16 zu suchen. Um die Untergrundprozesse zu unterdrücken, ist eine sehr hohe Impuls-, Zeit- und Vertexauflösung erforderlich. Der Mu3e-Kacheldetektor, ein aus organischen Szintillatoren und Silizium-Photomultipliern (SiPM) bestehendes Detektor-System, wird zur Messung der Flugzeit der Elektronen verwendet. Eine Zeitauflösung besser als 100 ps (σ) wird als Ziel gesetzt.
In dieser Arbeit werden Effekte untersucht, die die Zeitauflösung und die Signalform eines Szintillator-SiPM-Systems beeinflussen. Die Messungen wurden am DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) in Hamburg mit einem Elektronenstrahl mit einer Energie von 1 GeV durchgeführt. Unterschiedliche Szintillator-Geometrien, -Materialien und Beschichtungen, so-
wie verschiedene SiPM-Modelle wurden getestet.
Die Pulsformen wurden mit dem DRS4-Chip digitalisiert, sodass die Analyse offline durchgeführt werden konnte. Die Zeitstempel wurden mit Hilfe der Leading-Edge-Methode zusammen mit einer Timewalk -Korrektur bestimmt. Für ein System mit einem 7,5x8,5x5 mm^3 Szintillator aus dem Material BC-408 wurde eine Zeitauflösung von σ=93 ps gemessen. Mit einem 3x3x15 mm³ Szintillator aus demselben Material wurde eine Zeitaufl ̈sung von σ=45 ps gemessen. Eine schmale Szintillator-Geometrie ist entscheidend für eine exzellente Zeitauflösung. Für beide Messungen wurden die Szintillatoren von einem SiPM der Firma Hamamatsu mit einer aktiven Fläche von 3x3 mm^2 ausgelesen.

The aim of the Mu3e experiment is to search for the lepton flavour violating (LFV) decay μ+ → e+ e− e+ with a sensitivity of one in 10^16 . A very high momentum, time and vertex resolution is needed in order to suppress the background processes. The Mu3e tile detector, a detector-system made of organic scintillators and silicon photomultipliers (SiPM), is used for
Time-Of-Flight measurements. The time resolution aimed for is below 100 ps (σ).
In this thesis effects influencing the time resolution and the signal shape of a Scintillator-SiPM-System are studied. The measurements were performed at DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) in Hamburg with an electron beam energy of 1 GeV. Different tile geometries, materials and wrapping as well as different models of SiPMs were tested.
The signals of the SiPMs were digitized with the DRS4-Chip, such that the analysis could be done offline. The time-stamps were determined with the leading edge method together with a timewalk correction. A time resolution of σ=93 ps was achieved for a 7.5x8.5x5 mm^3 tile using the scintillator material BC-408. Using the same material a time resolution of σ=45 ps was measured for a tile with a dimension of 3x3x15 mm³ . A narrow tile geometry is crucial in order to achieve an excellent time resolution. For both measurements the tiles were readout by a Hamamatsu SiPM with an active area of 3x3 mm^2 .