Title: Energy measurement of hadrons with the CERN ATLAS calorimeter
Language: English
Authors: Speckmayer, Peter 
Qualification level: Doctoral
Keywords: CERN; ATLAS; Kalorimeter; Hadronen; Energiemessung; Simulation
CERN; ATLAS; calorimeter; hadrons; energy; measurement; simulation
Advisor: Fabjan, Christian
Assisting Advisor: Fidler, Josef
Issue Date: 2008
Number of Pages: 155
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Der Large Hadron Collider am europäischen Zentrum für Teilchenphysik, CERN, erzeugt Proton-Proton-Kollisionen mit einer Schwerpunktsenergie von 14 TeV. ATLAS, eines der vier großen Experimente am LHC ist ein vielseitiger Detektor mit dem die Energie und die Richtung von Teilchen gemessen werden kann die in den Proton-Proton-Kollisionen entstehen.
Das Hauptziel dieser Dissertation ist es die Genauigkeit zu ermitteln mit der, beim momentanen Verständnis für die Wechselwirkungen von Hadronen mit Materie und bei der momentanen Beschreibung des Ansprechverhaltens des zentralen ATLAS Kalorimeters, die Korrekturen, die zur vollständigen Energiemessung von Pionen notwendig sind, vorhergesagt werden können.
Für den kombinierten Strahl-Test 2004 (CTB) wurde ein kompletter Abschnitt der zentralen Region des ATLAS Detektors mit all seinen Teil-Detektoren in der H8 Strahl-Linie des CERN SPS Beschleunigers installiert. Pionen und Elektronen mit Energien von 1 bis 350 GeV wurden gemessen.
Die Fähigkeit der Monte Carlo (MC) Simulationen, die grundlegenden Observablen zu beschreiben, wurde im Strahl-Test überprüft. Es wurde herausgefunden, daß die Beschreibung der longitudinalen Entwicklung des Schauers vom Fragmentationsmodell und die totale deponierte Energie sowie die radiale Ausdehnung des Schauers von den intranuklearen Kaskadenmodellen gut wiedergegeben wird. Mit dem optimierten Simulations-Modell wird die totale rekonstruierte Energie für eine Strahl-Energie von 20 GeV und höher auf 1% genau beschrieben. Die mittleren Energien in den einzelnen Schichten des Kalorimeters werden auf 10 bis 20% genau beschrieben.
Um die Qualität des Schemas zur hadronischen Kalibration zu bewerten, wurde es mit MC Simulationen und mit Daten getestet. Es konnte gezeigt werden, daß das vollständig korrigierte Signal von Pionen für MC (Daten) innerhalb von 2% (5%) von der ursprünglichen Pionenergie für eine Strahlenergie von E>20 GeV liegt. Die Auflösung kann um ca. 10 (10) bis 15% (40%) im Vergleich zum unkorrigierten Signal in MC (Daten) verbessert werden. Die MC Simulationen haben Probleme die gemessene Energie-Auflösung zu beschreiben. Es wird allerdings erwartet, daß die Abweichung von MC zu Daten geringer wird, wenn für die Berechnung der Korrekturen für die hadronische Kalibration zu den neuersten Versionen von GEANT4 (dem Programm zur Erstellung von MC Simulationen) gewechselt wird.
Über das Standardschema von ATLAS um Pionen zu Kalibrieren hinaus gehend wurde eine neuartige Technik zur Korrektur von Energieverlusten Aufgrund von totem Material entwickelt mit dem Verbesserungen von Linearität und Auflösung erzielt werden konnte.

The ATLAS detector is a multi-purpose detector measuring the energy and direction of particles produced in proton-proton collisions at a center of mass energy of 14 TeV provided by the Large Hadron Collider at the European center of particle physics, CERN.
The main aim of this thesis is to assess the precision of the present understanding of the interactions of hadrons with matter (as implemented in Monte Carlo (MC) simulations) to describe the response of the ATLAS calorimeter and to predict the correction necessary to measure the full energy of pions. The simulations are compared to testbeam data. The present description of the response of the ATLAS central calorimeter is able to predict the energy corrections, as verified by using testbeam data. For the Combined Testbeam 2004 (CTB) a full slice of the central region of the ATLAS detector including all sub-detectors has been installed in the H8 beam line of the CERN SPS accelerator. Pions and electrons with the energies ranging from 1 to 350 GeV have been measured.
The ability of the various MC simulations to describe the basic observables has been tested in the CTB. It has been found that the longitudinal shower development is described by the fragmentation model, while the response and the radial shower extension is well represented by using intra-nuclear cascade models. Using the best model, the description of the response is within 1% for a beam energy of 20 GeV and above. The mean energies in the individual calorimeter layers are described within 10 to 20%.
The hadronic calibration scheme has been applied on MC and data. It has been shown that the fully corrected pion signal is within 2% (5%) of the initial pion energy for E>20 GeV in MC (data). The resolution is improved by about 10 (10) to 15% (40%) compared to the non-corrected signal in data (MC). The MC simulation has problems to describe the measured energy resolution. The deviation of MC and data is expected to become smaller when the corrections for the hadronic calibration are derived with the new version of GEANT4 (the MC simulation framework) . Beyond the ATLAS standard pion calibration scheme a novel technique for the correction for the energy loss due to dead material has been developed which has shown to improve the linearity and the resolution.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-26105
http://hdl.handle.net/20.500.12708/11115
Library ID: AC05037676
Organisation: E141 - Atominstitut der Österreichischen Universitäten 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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