Characterization of the AEgIS scintillating fiber detector FACT for antihydrogen detection

Abstract

Das Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy (AEgIS) am Antiproton Entschleuniger (AD) an der Europäische Organisation für Kernforschung (CERN) hat das Ziel, Antiwasserstoff-Atome durch Positronium Ladungsaustausch zu erzeugen. Alle Antiwasserstoffatome, die nach ihrer Bildung in der Umgebung der Produktionszone annihilieren, können durch die Vermessung ihrer Zerfallsteilchen mit Hilfe eines Szintillationsfiber-Detektor rekonstruiert werden. Im Zuge dieser Masterarbeit wird der Fast Annihilation Cryogenic Tracking (FACT) Detektor charakterisiert und auf seinen Einsatz dieses Jahr bei der ersten Produktion von Antiwasserstoff innerhalb des AEgIS Experiments vorbereitet. Dabei liegt der Fokus auf die Leistung der Silizium-Photodioden, auch Multi Pixel Photon Counters (MPPCs) genannt, die zum Auslesen der Lichtsignale der Szintillatoren verwendet werden. Die Eigenschaften der Photodioden, wie die Höhe der Signalverstärkung, die Nachweiswahrscheinlichkeit für Photonen (PDE), die Wahrscheinlichkeit für Nachpulse und das Ausmaß der gesamten Hintergrundsignale, werden bei verschiedenen Betriebseinstellungen genau vermessen. Zwei Modelle von Silizium-Photodioden von Hamamatsu Photonics (S10362-11-100C und S12571-100C) sind in FACT verbaut und die Ergebnisse deren Charakterisierung werden präsentiert. Aus diesen Messungen werden generelle Richtwerte ermittelt mit denen die Nachweisrate für Antiwasserstoff-Annihilationen erhöht werden kann. Als Grundlage zu diesen Nachforschungen ist der aktuelle Status des Detektors dokumentiert.

The Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy (AEgIS) at the Antiproton Decelerator at CERN has the goal to produce antihydrogen atoms at low temperatures based on positronium charge exchange. In order to detect the production of antihydrogen the products of its annihilation will be tracked by a barrel-shaped scintillating fiber detector. This master thesis deals with the characterization and preparation of this Fast Annihilation Cryogenic Tracking (FACT) detector to be ready for the first production of antihydrogen within the AEgIS apparatus this year. The thesis particularly focuses on the performance of the Multi Pixel Photon Counters (MPPCs) used in FACT to read out scintillating fibers in view of an accurate calibration of the detector. The properties of the silicon photomultipliers including a detailed analysis of their gain, their photon detection efficiency (PDE), the afterpulse probability and the overall level of dark count noise are explored at various operating parameters. The results regarding the Hamamatsu Photonics S10362-11-100C MPPC that is dominantly used in FACT are presented. From this analysis general guidelines are derived to optimize the detection efficiency for antihydrogen annihilations. This thesis also aims to document the current implementation of the detector that will be used to measure antihydrogen this year.