Low Gain Avalanche Diodes for Beam Monitoring and Reaction Time Determination at High Rates in HADES

The Low Gain Avalanche Diode (LGAD) technology enables high precision timing in the order of σₜ ≈ 30 ps for Minimum Ionizing Particles (MIPs), while simultaneously featuring high spatial resolution and excellent radiation hardness (operational up to fluences of Φₙₑ > 10¹⁵ nₑ/cm²). This technology sparked interest in the High Energy Physics (HEP) community for example for 4D-trackers (i.e. track reconstruction in coordinate space and time), beam monitoring and even medical applications. Due to those excellent properties of LGADs, the High Acceptance Di-Electron Spectrometer (HADES) collaboration employed LGADs as sensors for its in-beam Start detector, responsible for reaction time (T0) determination as well as beam spatial and time structure monitoring for the high rate p+p production beam time with a beam kinetic energy of 4.5 GeV in February 2022. Therefore, a dedicated HADES LGAD production was launched at Fondazione Bruno Kessler. This work will focus on the application of LGADs for the HADES Start detector and the fulfillment of the above mentioned tasks. After a presentation of the HADES LGAD production, the results of the full system test for the LGAD-based Start detector will be presented, indicating the viability of using LGADs for the purposes of the HADES Start detector. The performance as a beam time-structure monitoring tool at the p+p experiment will be shown, followed by a detailed discussion on the applied calibration and T0 reconstruction algorithms. The performance of the LGAD-based Start detector will be presented w.r.t. the reached T0 reconstruction efficiency and its precision as well as the sensor efficiency and radiation hardness over the entire p+p production beam time. After a full calibration of the sensor, T0s could be reconstructed with precisions of σ(T0) < 90 ps, when both sensors were used for the reconstruction, while single sensor T0 precisions up to σ(T0) ≈ 120 ps were achieved. The performance of the LGAD sensors deteriorated after the accumulation of radiation damage. Its effect will be presented for a selected single sensor. In order to demonstrate the excellent T0 reconstruction precision and accuracy, an analysis of the inclusive charged pion production was conducted employing only a particle identification via time of flight and momentum measurements. The resulting inclusive production cross section of σ(π⁺) ≈ (35.3 ± 4.6) mb and σ(π⁻) ≈ (9.7 ± 1.5) mb will be put into context with measurements of other experiments using p+p collisions.

Die neuartige Low Gain Avalanche Dioden (LGAD) Technologie ermöglicht hochpräzise Zeitmessungen mit Genauigkeiten in der Größe von σₜ ≈ 30 ps, bei gleichzeitig hohen Ortsauflösungen und Strahlungsbeständigkeit (mit einer Betriebsfähigkeit nach Bestrahlung mit einer neutronen-equivalenten Fluenz von Φₙₑ > 10¹⁵ nₑ/cm²). Diese Technologie erweckte das Interesse der Hochenergiephysik-Gemeinschaft für den Einsatz der LGAD Technologie als 4D-Tracker (also dem gleichzeitigen Nutzen von Orts- und Zeitinformationen für die Rekonstruktion von Teilchenspuren), Strahlmonitore und sogar für medizinische Applikationen. Die ausgezeichneten Eigenschaften von LGADs waren der Grund dafür, dass die High Acceptance Di-Electron Spectrometer (HADES) Kollaboration LGADs als Sensoren für ihren Start-Detektor in einem Experiment mit p+p Kollisionen bei hohen Raten und einer kinetischen Strahlenergie von 4.5 GeV im Februar 2022 benutzt hat. Der Start-Detektor wird für die Rekonstruktion der Reaktionszeit (T0), aber auch für das Überwachen der Strahlqualität in Bezug auf seine Zeit- und Ortstruktur benutzt. Die Sensoren wurden in einer HADES LGAD Produktion von Fondazione Bruno Kessler hergestellt. In dieser Arbeit wird ein Fokus auf die Anwendung von LGADs im HADES Start-Detektor und die Erfüllung der oben genannten Aufgaben gelegt. Nachdem die LGAD Produktion präsentiert wurde, werden die Ergebnisse eines Sensortests vorgestellt. Die Resultate zeigten die Eignung von LGADs als Sensoren für den HADES Start-Detektor. Danach wird die Performance des LGAD basierten Start-Detektors als Strahlmonitor gezeigt. Darauf folgend werden die Kalibrierungs- und die T0 Rekunstruktions-Algorithmen ausführlich dargelegt. Die Detektorperformance wird dann mittels der erzielten Sensor- und T0-Rekunstruktions-Effizienzen als auch der erzielten T0-Präzisionen charakterisiert. Außerdem, wird die Strahlungsbeständigkeit der LGAD-Sensoren untersucht. Nach einer Vollständigen Kalibrierung der aufgenommenen Daten wurden T0-Präzisionen von σ(T0) < 90 ps erreicht, wenn beide LGAD-Sensoren des Start-Detektors für die T0-Rekonstruktion benutzt wurden. Die Präzision von einzelnen Sensoren bewegte sich in der Größenordnung von σ(T0) ≈ 120 ps. Die erwähnten Präzisionen wurden für unbestrahlte Sensoren gemessen. Die Bestrahlung mit dem hochenergetischen Protonenstrahl induzierte Strahlenschäden in den Halbleitersensoren, welche deren Performance verschlechterte. Dieser Effekt wird explizit für einen ausgewählten Sensor, welcher im Experiment benutzt wurde, aufgezeigt. Um die ausgezeichnete T0-Präzision und T0-Genauigkeit aufzuzeigen, wurde die inklusive Produktion von geladenen Pionen analysiert. Für die Analyse wurde eine Teilchenidentifizierung nur mittels Flugzeit- und Impuls-Messungen durchgeführt. Die Analyse ergab Wirkungsquerschnitte für die Erzeugung von positiven Pionen von σ(π⁺) ≈ (35.3 ± 4.6) mb und für die Erzeugung von negativen Pionen von σ(π⁻) ≈ (9.7 ± 1.5) mb. Diese Ergebnisse werden abschließen mit den Ergebnissen anderer Experimente in p+p Kollisionen bei verschiedenen Energien verglichen.