Development of a multi-channel power supply for silicon photo-multipliers used with inorganic scintillators

The motivation of the current R&D project is based upon the requirements of the JEDI international collaboration aiming to measure Electric Dipole Moments (EDMs) of charged particles in storage rings. One of the most important elements of such an experiment will be a specially designed polarimeter with the detection system based on a modular inorganic scintillator (LYSO crystal) calorimeter. The calorimeter modules are read out by Silicon Photo Multipliers (SiPMs). This paper describes the development of a multi-channel power supply for the polarimeter modules, providing very stable and clean bias voltages for SiPMs. In order to ensure the best possible performance of SiPMs in conjunction with the crystal-based calorimeter modules and to guarantee the required level of calorimeter stability, several quality requirements have to be met by the power supply. Additionally, it is required to provide features including remote control via the network, ramping of the output voltage, measuring and sending the information about its output voltages and currents, etc. The obtained results demonstrate that the goals for the JEDI polarimeter are met. The developed hardware will be useful in other fields of fundamental and applied research, medical diagnostic techniques and industry, where SiPMs are used

Low-Energy \Lambda-\p Scattering Parameters from the pp→pK+Λpp \to pK^+\Lambda Reaction

Constraints on the spin-averaged $\Lambda p$ scattering length and effective range have been obtained from measurements of the $pp\to pK^+\Lambda$ reaction close to the production threshold by comparing model phase-space Dalitz plot occupations with experimental ones. The data fix well the position of the virtual bound state in the $\Lambda p$ system. Combining this with information from elastic $\Lambda p$ scattering measurements at slightly higher energies, together with the fact that the hyperdeuteron is not bound, leads to a new determination of the low energy $\Lambda p$ scattering parameters.Comment: 18 pages, 7 figure

Weak strangeness production in nucleon-nucleon scattering

Until now the only way to study the strangeness changing baryon-baryon interaction has been through the decays of lambda hypernuclei. It would clearly be preferable to be able to study reactions such as pn→pΛ in free space. In order to provide some guidance concerning the feasibility of such a measurement, we investigate the energy dependence, parity violating asymmetry, and shape of the cross section for this reaction.J. Haidenbauer, K. Holinde, K. Kilian, T. Sefzick, A. W. Thoma

Single \pi^- production in np collisions for excess energies up to 90 MeV

The quasifree reaction np\to pp\pim was studied in a kinematically complete experiment by bombarding a liquid hydrogen target with a deuteron beam of momentum 1.85 GeV/c and analyzing the data along the lines of the spectator model. In addition to the three charged ejectiles the spectator proton was also detected in the large-acceptance time-of-flight spectrometer COSY-TOF. It was identified by its momentum and flight direction thus yielding access to the Fermi motion of the bound neutron and to the effective neutron 4-momentum vector $\mathbb{P}_n$ which differed from event to event. A range of almost 90 MeV excess energy above threshold was covered. Energy dependent angular distributions, invariant mass spectra as well as fully covered Dalitz plots were deduced. Sizeable $pp$ FSI effects were found as were contributions of $p$ and $d$ partial waves. The behavior of the elementary cross section $\sigma_{01}$ close to threshold is discussed in view of new cross section data. In comparison with existing literature data the results provide a sensitive test of the spectator model.Comment: 21 pages, 9 figures, 4 tables, submitted to EPJ

Total Cross Section of the Reaction pp \to pK^+\Lambda Close to Threshold

The energy dependence of the total cross section for the pp \to pK^+\Lambda reaction was measured in the threshold region covering the excess energy range up to 7MeV. Existing model calculations describe the slope of the measured cross sections well, but are too low by a factor of two to three in rate. The data were used for a precise determination of the beam momentum of the COSY-synchrotron.Comment: 11 pages, 5 figure

η′\eta^{\prime} production in proton-proton scattering close to threshold}

The $pp \to pp \eta^{\prime}$ (958) reaction has been measured at COSY using the internal beam and the COSY-11 facility. The total cross sections at the four different excess energies \mbox{$Q = ~1.5 ~MeV, ~1.7 ~MeV, ~2.9 ~MeV,$ and $~4.1 MeV$} have been evaluated to be \mbox{$\sigma = 2.5 \pm 0.5~nb$, $~~~ 2.9 \pm 1.1~nb$, $~~~ 12.7 \pm 3.2~nb$, ~ and $~~~ 25.2 \pm 3.6 ~nb$}, respectively. In this region of excess energy the $\eta^{\prime}$ (958) cross sections are much lower compared to those of the $\pi ^0$ and $\eta$ production.Comment: 11 pages, 3 figure

Der schnelle Triggerszintillator für das JETSET-experiment (PS202/LEAR)

In der vorliegenden Arbeit wird der aus Szintillationszählern bestehendeTriggerdetektor des JETSET-Experimentes (PS202) am LEAR/CERN vorgestellt. Alseine Hauptkomponente des gesamten Triggersystems ist er wesentlich dafür(mit)verantwortlich, daß eine voraussichtliche Ereignisrate von 10$^{6}$ auf für Bandspeicherungverträgliche 10$^{2}$ reduziert wird. Dieser Forderung kann er verständlicherweisenicht alleine nachkommen, erst die Kombination mit anderen, langsamerenDetektorsystemen, denen er die notwendigen Startsignale bei Auftreten einer vorherdefinierten Multiplizität zu liefern hat, wird diese Online-Reduktion möglich machen.Er selbst dient somit als schnelles Filter, das die Untergrundreaktionen wirksamunterdrücken soll.Nach Abgabe des Startsignals wird in einer zweiten Stufe der Triggerelektronik mitden Informationen des Szintillationsdetektors - Kennzahlen der getroffenen Segmente- die Ortsbestimmung der Durchstoßpunkte der Reaktionsprodukte durchgeführt.Die Entwicklung ist dahingehend, die dazu erforderliche Elektronik 'festverdrahtet' zu gestalten, aus Zeitgründen nur elementare logische Operationen zuzulassen.Eine dritte, nachfolgende Triggerstufe befindet sich z.Z. noch im Stadium der Vorüberlegungen.Sie soll die von der zweiten Stufe gelieferten Ortsinformationen unterkinematischen Gesichtspunkten untersuchen.Somit gliedert sich das Triggerkonzept in vier Stufen1) schneller Multiplizitätstrigger2) schnelle Ortsinformation3) kinematischer Trigger4) andere Detektorensysteme (Kalorimeter, Teilchenidentifikation)Die beiden letztgenannten Stufen werden, da der kinematische Trigger aufgrund derKomplexität der Informationsauswertung längere Zeit beanspruchen wird, parallelarbeiten, sie sollen sich aber im Falle eines nicht verwertbaren Ereignisses gegenseitigstoppen, und damit eine Registrierung auf Band verhindern.Die vorliegende Diplomarbeit befaßt sich speziell mit den ersten beiden der obenaufgeführten Triggerstufen. Als grundlegende Voraussetzungen werden zuerst dieKomponenten eines Szintillationszählers - PMT, Szintillator und Lichtleiter - eingehendbehandelt und Eich- und Testmöglichkeiten vorgestellt. Dazu gehört einschneller Lichtpulser mit grüner oder blauer LED. Ergebnisse der Untersuchungen,welche Szintillator- und Lichtleitermaterialien für das JETSET-Experiment am geeignetstensind, werden präsentiert. Favorisiert wird dabei dasPlastikszintillatormaterial BC-404 von BICRON. bei den Lichtleitern stellenFaserbündel aus PMMA eine ernstzunehmende Alternative zu starrenPLEXIGLAS-Streifen dar. Der Design des Szintillationsdetektors ist eine Neuentwicklung,neben der geforderten Multiplizitätsinformation läßt sich aufgrund der speziellenSegmentierung der dreilagigen Anordnung die Ortinformation der Teilchendurchstößemittels elementarer logischer Operationen erhalten.Planungsvorschläge und -konzepte für die erforderliche Triggerelektronik werden vorgestellt, ihre hardwaremäßige Umsetzung erfolgt z.Z. im Zentrallabor für Elektronik(ZEL) der KFA Jülich.Die vorgeschlagene Apparatur mit ihrem speziellen Szintillatordesign scheint einoptimales System für einen schnellen Trigger beim JETSET-Experiment zu sein, mitdem Zerfallsprodukte von Mesonen mit Strangeness nachzuweisen sind. DieEffizienz - geometrische Einschränkungen des Gesamtdetektors durch Aussparungenfür Strahlrohr, Gasjet und mechanische Halterungen außer acht gelassen - ist beiallen LEAR-Strahlimpulsen besser als 95%

Lambda - Anti-Lambda - Erzeugung im Bereich der Sigma - Schwelle

Quarks, die neben den Leptonen als die elementaren Bausteine der Materie angesehen werden, treten als drei Familien auf : u-d, s-c, b-t . Die Postulierung der Existenz von Quarks war für Gell-Mann [GEL64] und Zweig [ZWE65] notwendig geworden, als sie Grundprinzipien für die Darstellung der bis dahin bekannten, der starken Wechselwirkung unterliegenden Hadronen als SU(3)-Gruppe aufstellten. Dabei griffen sie auf Vorarbeiten von Goldberg und Ne'eman [GOL63] zurück, welche aufbauend auf das sog. Sakatonenmodell, in dem Proton, Neutron und A-Teilchen als Triplet dargestellt wurden, Gebilde mit 1/3-zahliger Ladung in ihren Berechnungen verwendeten. Diese waren aber rein mathematischer Natur, von Teilchen wagten sie nicht zu reden. Die von Gell-Mann und Zweig postulierten Quarks hießen dann auch in Analogie zum o. g. Sakatonenmodell zuerst p, n und $\Lambda$, erst später wurden u, d und s daraus. Während diese drei Quarks ausreichend waren, um daraus die damals nachgewiesenen Hadronen zu kombinieren, sind es heutzutage schon derer fünf (u,d,s,c,b) und ein weiteres (t) wartet auf seine experimentelle Bestätigung. Neueste Experimente am Large-Electron-Proton-Beschleuniger (LEP) lassen als sicher erscheinen, daß die Anzahl der Quarks auf die drei Familien beschränkt ist. Für die weiteren Betrachtungen in dieser Arbeit zur $\overline{\Lambda}\Lambda$-Produktion ist es ausreichend, nur die drei leichtesten Quarks und deren Darstellung in einer SU(3)-Gruppe zu betrachten. Quarks scheinen sich zur Bildung langlebiger Teilchen nur auf zwei Arten zu kombinieren: zu aus Quark und Antiquark zusammengesetzten Mesonen (q$\overline{q}$) und zu aus drei Quarks bestehenden Baryonen (gqq), wobei die dadurch entstehenden Hadronen eine ganzzahlige Elementarladung tragen. Das zugehörige Oktett für Baryonen und Nonet für Mesonen zeigt Fig. 1.1. Bei einigen Teilchen können Orts- und Spin-Wellenfunktionen der Quarks keine antisymmetrische Wellenfunktion ergeben - aber genau diese Forderung stellt das Pauli-Prinzip an Teilchen mit halbzahligem Spin (Fermionen). Um diesen Widerspruch aufzulösen, schreibt man in Analogie zur Quantenelektrodynamik (QED) mit ihrer elektrischen Ladung und Photonenaustausch den Quarks eine Farbladung und Gluonenaustausch zu. Die Theorie der Wechselwirkung von Quarks und Gluonen wird als Quantenchromodynamik (QCD) bezeichnet. Die aus Quarks kombinierten Teilchen sind im additiven Quarkmodell per Definition immer farbneutral, was bei Mesonendurch die Kombination von Farbe und Antifarbe, bei Baryonen durch Mischung der drei Quarkfarben erreicht wird. [...

Der schnelle Triggerszintillator für das Jetset Experiment (PS202/LEAR)

Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Planung der Szintillationszähler für das JETSET-Experiment (PS202) am CERN in Genf. Im einzelnen werden der Design desSzintillationsdetektors, die Auswahl der in Frage kommenden Materialien und Planungen einer diesem neuartigen Detektorkonzept angepaßten Triggerlogik diskutiert.Das JETSET-Experiment ist im Bereich der Mittelenergiephysik angesiedelt, die Nukleonen mit ihren Unterstrukturen als Vielteilchensystem auffaßt . Diese bestehenaus nachweislich drei geladenen Teilchen, den Valenzquarks. Neben den aus drei Quarks bestehenden Baryonen sind die aus Quark-Antiquark aufgebauten Mesonen,die als virtuelle Teilchen die Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung bewirken, bei hinreichend hohen Energien aber als reelle Teilchen - auf der Masseschale - auftreten,ebenso Gegenstand physikalischer Untersuchungen . Sie - oder ihre Zerfallsprodukte - tragen bei den im JETSET-Experiment auftretenden Annihilationsprozessen von Antiproton und Targetnukleon - hierbei muß zwischen Reorientierung, reiner Vernichtung und Kombinationen beider Prozesse unterschieden werden - die Information über ihre Entstehung und Korrelation in verschlüsselter Form (Viererimpulsvektor, Spinorientierung, u .v.m.) mit sich. Es ist nun Aufgabe des Experimentators eben diese Informationen durch geeignete Beobachtungs- und Untersuchungsmethoden zu erkennen und auszuwerten. Das ihm dabei zur Verfügung stehende 'Handwerkzeug' beschränkt sich in vielen Fällen auf die Messung von Viererimpulsen und Multiplizitäten der Produktteilchen. Hinzu kommt aber die Möglichkeit, die Anfangsbedingungen der Reaktion exakt festzulegen. Neben der Kenntnis des Viererimpulses (Impulskomponenten und Energie) können durch einen polarisierten Strahl oder ein polarisiertes Target über die Messung der Observablen - in diesem Fall mit besonderem Augenmerk auf Polarisation, Analysierstärke und Spinkorrelation - Rückschlüsse auf Reaktionsmechanismus und -ablauf gezogen werden. Folgend aus der Notwendigkeit, die oben aufgeführten Parameter mit hoher Präzision zu messen, ergeben sich folgerichtig Bedingungen an die Nachweisgeräte. Diese müssen so hochauflösend sein, daß Spurrekonstruktionen der Ausgangsteilchen einer Reaktion durchgeführt werden können, besonders, wenn zusätzlich Zerfälle passieren. Die Präzision muß gewährleisten, daß die Rekonstruktion erlaubt, eindeutige kinematische Schlußfolgerungen zu ziehen. JETSET als typisches Detektorkonzept enthält deshalb folgende Komponenten : hochauflösende Gasverstärkungszähler- wie Driftkammern oder MWPC's, die Rückschlüsse auf den Verlauf der Teilchenbahn zulassen, sowie dünne, feingranulierteHalbleiterzähler (tu-Streifen), um genaue Durchstoßpunkte festlegen zu können, Cherenkov-Zähler zur Teilchenidentifizierung, Kalorimeter zur Bestimmung derTeilchenenergie und, 'last not least' dünne Szintillationszähler zum schnellen Teilchennachweis und zur Trigger- und Startsignalgenerierung. Szintillationszählereignen sich für diesen Zweck besonders gut, da sie, falls Plastikszintillatormaterial zur Anwendung kommt, leicht formbar sind und in fast jedes Detektorkonzept eingepaßt werden können. Überdies sind sie schnell, und die Palette der angebotenen Materialien ist so groß, daß für jede Anwendung ein optimales Material gefunden werden kann. Da diese Diplomarbeit die erste in einer neu entstandenen Arbeitsgruppe ist, die Entwicklung und Bau von Plastikszintillationszählern im Institut neu ansiedeln soll, werden die einzelnen zu einem Szintillationszähler gehörenden Komponenten - Szintillator, Lichtleiter und Photomultiplier - ausführlich beschrieben. Eigene Messungen und deren Ergebnisse werden an den passenden Stellen eingeflochten. Danach werden Testmöglichkeiten zur Ausmessung der einzelnen Komponenten vorgestellt. Einer Beschreibung des JETSET-Experimentes folgen dann Monte-Carlo-Simulationsergebnisse und die Vorstellung des Designs des Szintillationszählers. Abschließend werden einige Gedanken und Vorschläge zur Triggerlogik gegeben