A detector for charged particle identification in the forward region of SuperB

par Leonid Burmistrov

Thèse de doctorat en Physique des particules

Sous la direction de Achille Stocchi.

  • Titre traduit

    Un détecteur pour l’identification des particules chargées dans la région avant de SuperB


  • Résumé

    Dans cette thèse nous présentons la conception, l'étude des performances et les premiers tests, effectues au Cosmic Muon Telescope situe au SLAC, d'un nouveau détecteur d'identification des particules émises dans la région ''avant'' du détecteur SuperB.Ce détecteur est base une technique de temps de vol (TOF). Pour identifier les particules avec une impulsion jusqu'à 3GeV/c et une distance de vol de l'ordre de deux mètres nous avons besoin d'un détecteur TOF capable de mesurer le temps avec une précision typique de 30 ps. Pour atteindre cet objectif nous avons conçu un composant pour lequel le passage d'une particule chargée produit de la lumière Cherenkov dans un ''fused silica'' (quartz) radiator qui est ensuite détectée par des photodétecteurs tres rapides et une électronique rapide dédiée. Nous l'appelons détecteur DIRC-like TOF.Les photodétecteurs HAMAMATSU SL-10 MCP-PMT ont été caractérises sur faisceau de test au LAL et la résolution en temps d'environ 37 ps a été mesurée. La nouvelle électronique 16-canaux USB WaveCatcher développée au LAL(CNRS/IN2P3) et CEA/IRFU montre un jitter de moins de 10 ps. La géometrie du détecteur a quartz a été étudiée avec une attention particulière a l'aide d'une simulation Geant4. Celle-ci montre que la meilleure géométrie permet d'atteindre une résolution en temps d'environ 90 ps par photoélectron avec au moins 10 photoélectrons détectés, donnant en moyenne la résolution totale désirée de 30 ps.Nous avons construit un prototype d'un tel composant, utilisant les barres de quartz utilisées pour l'expérience Babar et nous l'avons installe dans le Cosmic Ray Telescope au SLAC. Une résolution en temps d'environ 70~ps par photoélectron a été obtenue, en accord avec la simulation.Cette preuve de principe a convaincu la Collaboration SuperB d'adopter un tel composant comme solution de base pour l'identification des particules émises vers l'avant dans SuperB. Le point délicat, encore ouvert, est celui de la résistance de ce détecteur aux bruits de fond de la machine.Dans cette thèse nous présentons aussi les études préliminaires de différents types de bruit de fond et leur effet sur les performances du détecteur DIRC-like TOF. Le processus Bhabha radiatif est de loin la source dominante de bruit de fond. Le taux de photoélectrons de bruit de fond principalement du aux gammas d'énergie d'environ 1.4 MeV est estimée a ~480 kHz/cm^2 ce qui correspond a 2 C/cm^2 de charge d'anode integrée sur 5 ans. Le flux de neutrons traversant l'électronique de front end du détecteur DIRC-like TOF est estimée a ~10^11/cm^2/year. Ces résultats préliminaires sont rassurants.


  • Résumé

    In this thesis, we present the conception, the performances studies and the first tests in the Cosmic Muon Telescope situated at SLAC of a new detector for the particle identification in the forward region of the SuperB detector.This detector is based on time-of-flight (TOF) technique. To identify the particles with momentum up to 3 GeV/c and flight base around two meters we need a TOF detector able to measure the time with a precision of about 30 ps. To achieve this goal we have conceived a device producing Cherenkov light in a fused silica (quartz) radiator, by a charged particle, which then detected with very fast photodetectors and dedicated ultrafast electronics. We call it, the DIRC-like TOF detector.For what concern the photodetectors, the HAMAMATSU SL-10 MCP-PMT has been characterized at LAL test bunch and the time resolution of about 37 ps has been measured. The new 16-channel USB WaveCatcher electronics developed by LAL (CNRS/IN2P3) and CEA/IRFU has shown to have a jitter of less than 10 ps. The geometry of the quartz detector has been then carefully studied with Geant4 simulation. Which shows that the best detector geometry allow to reach the time resolution of about 90 ps per photoelectron with at least 10 photoelectrons detected, giving in average the desired 30 ps total time resolution.We have constructed a prototype of such device, using the quartz bars available from the Babar experiment, and we have installed it, in the SLAC Cosmic Ray Telescope. A time resolution of about 70 ps per photoelectron was obtained, in agreement with simulation.This proof-of-principle has convinced the SuperB Collaboration to adopt such a device as the baseline for the SuperB particle identification detector in the forward region. The delicate point which is still opened is the resistance of this detector to the machine background.In this thesis we also present preliminary studies of different types of background and their effect on the performances of the DIRC-like TOF detector. Radiative Bhabha process is by far the dominant source of background. The rate of the background photoelectrons caused mainly by the gammas with energy around 1.4 MeV is estimated to be ~480 kHz/cm^2 which corresponds to 2 C/cm^2 of integrated anode charge in 5 years. The neutron flux thought the DIRC-like TOF front end electronics is ~10^11/cm^2/year. These preliminary results are reassuring.


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