Studies on the upgrade of the ALICE central tracker

Mager, Magnus (2012)
Studies on the upgrade of the ALICE central tracker.
Technische Universität Darmstadt
Ph.D. Thesis, Primary publication

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Item Type:

Ph.D. Thesis

Type of entry:

Primary publication

Title:

Studies on the upgrade of the ALICE central tracker

Language:

English

Referees:

Braun-Munzinger, Prof. Dr. Peter ; Musa, Dr. Luciano ; Aumann, Prof. Dr. Thomas

Date:

2 November 2012

Place of Publication:

Darmstadt

Date of oral examination:

27 July 2012

Abstract:

When two high-energy lead ions collide, as they currently do inside the “Large Hadron Collider” (LHC) of the “European Organization for Nuclear Research” (CERN), energy densities similar to those shortly (some 1ps to 10μs) after the Big Bang are created. At these energies quarks are loosing their confinement into hadrons and may move around freely, the “quark-gluon plasma” (QGP) is created.

Such a picture deserves of course a thorough check and a precise measurement. There are however intrinsic difficulties to overcome: the macroscopic free energy (about 1 mJ) of these collision allow for an infinite number of processes to happen and finally—-due to mass-energy equivalence--a significant number (order of 10 000) of particles is created.

The ALICE experiment was designed to be able to cope with this large number of particles, it can measure the properties (species and momentum) of the big majority. This requires a very fine segmentation of the detector. The central part of ALICE is made of a 90 qubic metre time projection chamber (TPC), accompanied by a silicon detector close to the beam pipe (ITS). Completed by a time of flight detector (TOF) they form the “central” tracker. Together they measure the precise three-dimensional track picture of the collision.

The measured collision events produce a huge raw data volume of about 700 MByte, which sets tough requirements for the read-out electronics. To measure rare events one needs to record billions of collisions, which asks for high read-out rates (kHz). But also the spatial detector resolutions are required to be very good (a few 10μm) in order to e. g. resolve decays of short-lived particles.

Taking the Lambda-c baryon, the lightest charmed baryon, as an example, the precise implications for the detector design are analysed in this thesis. Measuring the Lambda-c is of high importance for the understanding of the quark-gluon plasma. It bears valuable information on the charm sector, in particular on the charm thermalisation and/or energy loss in the plasma. Together with the measurements from the mesonic charm sector (D mesons) one may disentangle the contributions of u and d quarks to the hadronisation process from those caused by c quarks.

Till today there is no data from Lambda-c production in central heavy-ion events available. ALICE has however successfully measured the Lambda-c yield in proton–proton (p–p) collisions, which will serve as a valuable cross-check.

In the frame of this thesis the following developments were carried out: * A fast analysis procedure for the Λ+c in p–p and Pb–Pb collisions was designed, implemented and successfully tested with existing p–p data (Chap. 3). This did not only prove the method to be working but also helped to improve the currently employed analysis code for p–p. Also were the resonant Lambda-c to Proton, Kaon, Pion channels as well as the Lambda-c to Kaon, Proton and Lambda-c to Lambda, Pion decay modes added to the analysis. * The read-out speed of the existing TPC electronics was analysed systematically and a simulation model as well as an analytic treatment of the obtainable rates were developed. Based on this model a proposal to reorganise the read-out network is made, which can improve the speed by a factor of ten. To prove its feasibility, a prototype card of the main part of the network was designed and realised, which proves the critical part and the technical feasibility of this proposal (Chap. 5). * Based on the experience with the analysis of p–p collisions it was investigated how far an improvement of the ITS will translate into an improvement of the Λ+c measurement. For this purpose a “hybrid” Monte-Carlo method was developed that allows to quickly compare different detector geometries. With this method it could be quantitatively shown how an upgrade of the ITS together with an improved read-out network for the TPC allow to measure the Lambda-c in Pb–Pb (chapter 4). This analysis and the developed methodology are a main contribution to the current ALICE upgrade strategy.

Alternative Abstract:

Alternative Abstract

Language

Bei der Kollision von hochenergetischen Blei-Ionen, wie sie zur Zeit im “Großen Hadronen-Speicherring” (LHC) der “Europäischen Organisation für Kernforschung” (CERN) stattfinden, entstehen Energiedichten die denen gleichen, die kurz (ca. 1ps bis 10μs) nach dem Urknall herrschten. Sie bringen Materie in einen Zustand in dem die Bindung von Quarks in Hadronen verlorengeht und sie sich frei bewegen können – ein Plasma, das sogenannte Quark-Gluon-Plasma ensteht.

Dieses Bild bedarf nun einer gründlichen Prüfung und der neue Zustand will genaustes vermessen sein. Dazu müssen jedoch intrinsische Hürden überwunden werden: Die immense/makroskopische freie Energie, die diese Kollisionen mit sich bringen (≈ 1 mJ), führt zu einer endlosen Zahl an möglichen Prozessen und schließlich -- gemäß Massen-Energie Äquivalenz -- zu einer rießigen Zahl (Ordnung 10 000) an erzeugten Teilchen.

Das ALICE Experiment wurde konstruiert um mit dieser Anzahl von Teilchen zurechtzukommen. Es kann die Eigenschaften (Impuls und Spezies) eines Großteils bestimmen. Dazu bedarf es einer sehr feinen Segmentierung des Detektors. Das Herz des Experiments bilden eine 90 m3 große Spurenprojektionskammer (TPC), sowie ein Siliziumdetektor (ITS) nahe des Strahlrohres. Zusammen mit einem Flugzeitmassenspektrometer (TOF) bilden sie den “central tracker” und erlauben eine genaue Rekonstruktion des dreidimensionalen Spurbildes.

Die gemessenen Ereignisse bergen einen großen Informationsgehalt (ca. 700MByte pro Ereignis), was wiederum hohe Anforderungen an die Auslese-Elektronik stellt. Um seltene Vorgänge messen zu können, müssen Milliarden von Kollisionen untersucht werden, was nach einer hohen Ausleserate (kHz) verlangt. Aber nicht nur die Ausleserate, sondern auch die räumliche Auflösung der Detektoren muss sehr hoch sein (wenige 10 μm), um z.B. Zerfälle von kurzlebigen Teilchen messen zu können.

Am Beispiel des Lambda-c-Baryons, dem leichtesten Charm-Baryon, werden in der vorliegenden Arbeit die genaueren Implikationen für das Design von Detektoren analysiert. Die Messung des Lambda-c ist von großer Bedeutung für das Verständnis des Quark-Gluon Plasmas. Es enthält Informationen über den Charm-Sektor, insbesondere darüber wie Charm thermalisiert und/oder Energie im Plasma verliert. Zusammen mit Messungen aus dem mesonischen Charmsektor (D-Mesonen) lässt sich z. B. der Anteil der Up- und Down-Quarks von dem des Charm-Quarks an der Hadronisierung von Charm separieren.

Bis heute gibt es keine Messung des Lambda-c in zentralen Schwerionen-Kollisionen. ALICE hat das Lambda-c jedoch erfolgreich in Proton–Proton (p–p) messen können, was als wichtiger Vergleich dienen wird.

In dieser Arbeit werden Auflösung und Auslese-Rate der ALICE Detektoren analysiert und Vorschläge gemacht wie eine Messung des Lambda-c in Blei–Blei (Pb–Pb) Kollisionen möglich wird. Dazu wurden im Speziellen folgende Entwicklungen gemacht: * Eine schnelle Analyse-Prozedur zur Analyse des Lambda-c Teilchens in p–p und Pb–Pb Kollisionen wurde entworfen, implementiert und erfolgreich mit den existierenden p–p Daten verwendet. Dies trug wesentlich zur Verbesserung der existierenden p–p Analyse bei (Kapitel 3). Zudem wurde die Analyse um die resonanten Lambda-c zu Proton, Kaon, Pion, sowie die Lambda-c zu Kaon, Proton und Lambda-c zu Lambda, Pion Zerfälle ergänzt. * Die Auslese-Geschwindigkeit der existierenden Elektronik der TPC wurde systematisch analysiert. Ein Simulations-Model, sowie eine analytische Beschreibung der erreichbaren Raten wurde entwickelt. Basierend auf diesem Model wurde ein Vorschlag gemacht, wie sich durch eine Umstrukturierung des Auslesenetzwerks die derzeitigen Raten um einen Faktor Zehn steigern lassen. Um dies zu untermauern wurde eine Prototyp-Karte entwickelt und realisiert, die den kritischen Teil dieses Vorschlages ausmacht. Damit konnte demonstriert werden, dass dieser technisch umsetzbar ist (Kapitel 5). * Basierend auf der Erfahrung mit der Analyse in p–p Kollisionen wurde analysiert, in wieweit eine Verbesserung des ITS die Messung des Lambda-c in Pb–Pb verbessert bzw. ermöglicht. Dazu wurde eine “hybrid” Monte-Carlo Methode entwickelt, die es erlaubt, schnell verschiedene Detektor-Geometrien miteinander zu vergleichen. Mit dieser konnte quantitativ gezeigt werden, wie ein Upgrade des ITS, zusammen mit einer schnelleren TPC, die Messung des Lambda-c in Pb–Pb ermöglicht (Kapitel 4). Diese Analyse und die entwickelte Methodik ist ein wesentlicher Bestandteil des derzeitigen ALICE Upgrade-Proposals.

German

Uncontrolled Keywords:

ALICE, TPC, ITS, Ausleseelektronik, Lambda-c, upgrade

Alternative keywords: