The final 20 layer prototype for the AMS transition radiation detector : beamtests, data analysis, MC-studies

Orboeck, Jörg; Schael, Stefan

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-6101

The final 20 layer prototype for the AMS transition radiation detector : beamtests, data analysis, MC-studies

Orboeck, Jörg (Author)

2003

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jörg Orboeck

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2003

Umfang114 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2003

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schael, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2003-05-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-6101
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/58970/files/Orboeck_Joerg.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; AMS (frei) ; TRD (frei) ; transition radiation (frei) ; rejection (frei) ; TR GEANT Simulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Im Sommer 2000 wurde der AMS TRD Prototyp, wie er in dieser Arbeit beschrieben ist, 2 CERN Strahltests (X7,H6) unterzogen, in denen insgesamt mehr als 3 Millionen Ergeignisse (p+,e-,pi-,mu-) mit Strahlenergien bis zu 250 GeV aufgezeichnet werden konnten. Die durchgefuehrte Analyse der aufgezeichneten Daten basiert ausschliesslich auf Einzelspur-Ereignissen, die mit Hilfe eines Satzes von Auswahl-Kriterien aus allen Ereignissen selektiert wurden, fuer die durch lineare Regression erfolgreich eine einzelne Spur rekonstruiert werden konnte. Die hier vorgestellte Rejektions-Analyse konzentrierte sich hauptsaechlich auf das Vermoegen des Prototypen Proton- von Elektron-Ereignissen zu unterscheiden. Die Rejektions-Faktoren als Funktionen der Strahlenergie wurden dabei auf 2 unterschiedliche Arten, naemlich mit Hilfe der *Cluster Counting* (CC) und einer *Liklihood* (LH) Analyse Methode, bestimmt. Das Cluster Counting basiert auf dem binaeren Zaehlen von Hits auf der rekonstruierten Spur oberhalb einer bestimmten Energie-Schwelle, *Ecut*. Fuer die Selektion eines Ereignisses als „elektron-artig”, wird zusaetzlich eine minimale Anzahl, *Hcut*, von solchen Hits gefordert. Dieser *Hcut* wird, bezogen auf einen bestimmten *Ecut*, so gewaehlt, dass 90% der Elektron-Ereignisse dadurch selektiert werden. Unter Verwendung dieses selben *Hcuts* berechnet sich der Rejektions-Faktor, als Quotient aus den Anzahlen aller und der als „elektron-artig” selektierter Proton-Ereignisse. Die sich dadurch ergebenden Rejektionen reichen von (625 +/- 117) bei 20 GeV bis hinunter zu (80 +/- 5) bei 250 GeV Strahlenergie. Die Fehler berechnen sich aus der statistischen Unsicherheit der Anzahl der Proton-Ereignisse oberhalb des *Hcuts*. Die Likelihood Methode verwendet die vollen Proton und Elektron Energie-Spektren als Einzelhit-Wahrscheinlichkeitsverteilungen. Dazu sind die Spektren fein gebinnt und ihre Integrale auf eins normiert. In jedem Ereignis werden aus den Einzelhit-Wahrscheinlichkeiten fuer die Hits auf der Spur die geometrischen Mittel fuer die Elektron(Pe) und die Proton(Pp) Hypothesen ausgerechnet und die Elektron-Likelihood, Le = -ln(Pe/(Pe+Pp)), berechnet. Die Definition des *LHcut* erfolgt wie zuvor fuer die Elektron-Ereignisse so, dass 90% dieser selektiert werden und die Rejektions-Faktoren berechnen sich durch die Anwendung des selben *LHcuts* auf die *Le* Proton-Verteilung. Die sich dadurch ergebenden Rejektionen reichen von (1429 +/- 408) bei 20 GeV bis zu (143 +/- 12) bei 250 GeV Strahlenergie. Im Vergleich zum CC entspricht dies im Mittel einer Verbesserung um mehr als einen Faktor 2. In gleicher Weise wurde diese Rejektions-Analyse fuer die Pionen-Daten durchgefuehrt. Die entsprechende Likelihood Analyse liefert Rejektions-Faktoren fuer Pionen gegen Elektronen von (1000 +/- 400) bei 20 GeV Strahlenergie bis hinunter zu (19.2 +- 0.7) bei 100 GeV. Die beschriebenen Analysen wurde jeweils mit den 20 GeV Elektron-Daten als Referenz durchge-fuehrt. Die Wiederholung der Analyse mit den 40 GeV Elektron-Daten fuehrte auf, im Rahmen des statistischen Fehlers, identische Ergebnisse. Im zweiten Teil dieser Arbeit konnten diese Ergebnisse in GEANT Simulationen bestaetigt werden. Dazu wurde ein GEANT 3.21 Software Paket verwendet, das in der Simulation von dE/dx Energie-Verlust in Gasen verbessert wurde. Ausserdem enthaelt das verwendete GEANT zusaetzliche Ergaenzungen zur Erzeugung und dem Nachweis von Uebergangsstrahlung. Diese Ergaenzungen wurden praezise auf die Strahltest-Bedingungen angepasst und in Details verbessert und erweitert, um die bestmoegliche Uebereinstimmung mit den Mess-Ergebnissen zu erzielen. Mit dem so angepassten und optimierten GEANT konnten die gemessenen p+, e- und pi- Energie-Spektren ueber den gesamten Strahlenergie-Bereich reproduziert werden. Die sich ergebenden Rejektionen zeigen, im Rahmen des statistischen Fehlers, konsistente Ergebnisse fuer Daten und MC fuer Protonen bis zu 160 GeV und Pionen ueber den gesamten Energie-Bereich. Oberhalb 160 GeV p+ Energie zeigt der Vergleich zwischen Daten und MC einen klaren Unterschied in den Rejektions-Faktoren. Eine durch ein einfaches Modell zusaetzlich ins GEANT eingefuehrte diffraktive Proton-Proton Wechselwirkung ist in der Lage diese Diskrepanz bis zu den hoechsten Strahlenergien aufzuloesen. Jeder anderer Versuch dazu schlug fehl.

The AMS TRD prototype, as described in this thesis, was subjected to 2 high energy beamtests at CERN test facilities (X7,H6) in summer 2000, where more than 3 million events of p+,e-,pi- and mu- data with beam energies up to 250 GeV have been recorded. The data analysis is based solely on single track events. These are selected from several selection criteria, applied to all events with a successfully reconstructed single track from linear regression. The rejection analysis was mainly focused on the prototype's capability of rejecting protons against electrons. These rejection factors as functions of beam energy were determined in two different ways, namely using the Cluster Counting and a Likelihood method. The Cluster Counting (CC) method is based on the binary counting of hits on the track above a certain energy threshold, *Ecut*, and the requirement of a minimum number, *Hcut*, of such hits for an event to be selected "electron-like". This *Hcut*, referring to a defined *Ecut*, is chosen such that 90% of the electrons are accepted. The application of this same *Hcut* to all proton events is used to calculate the rejection factor, as the ratio of total number of proton events in the sample, divided by those events that are selected "electron-like". This analysis derived rejection factors ranging from (625 +/- 117) at 20 GeV down to (80 +/- 5) at 250 GeV beam energy. The indicated errors are calculated from the statistical uncertainty of the selected number of proton events. The likelihood (LH) method uses the full proton and electron energy spectra as single hit probability distributions, after normalisation to an integral of one. For each event, the single hit probabilities for the hits on the track are multiplied and the geometric mean is calculated separately for the electron (Pe) and proton (Pp) hypotheses. The electron likelihood is finally calculated as the ratio Le = -ln(Pe/(Pe+Pp)). In the *Le* distribution of electron events the *LHcut* is now chosen such, that 90% of the electron events are accepted and the proton rejection is derived as before. This analysis derived rejection factors ranging from (1429 +/- 408) at 20 GeV down to (143 +/- 12) at 250 GeV beam energy. Compared to the CC this denotes on average an improvement by more than a factor of 2. In the same way the rejection factors for pions against electrons are derived from likelihood analysis. They range from (1000 +/- 400) at 20 GeV beam energy down to (19.2 +- 0.7) at 100 GeV. This described rejection analysis was carried out, using the 20 GeV electron sample as reference. The repeated analysis, using a 40 GeV electron reference sample, reproduced the derived rejection factors, within the statistical errors. The GEANT 3.21 software package, improved in the simulation of dE/dx energy loss, and additional supplements to generate and detect transition radiation, first implemented by members of the HERA-B Collaboration, were used to reproduce the beamtest results. The detector characteristics, like the geometry and part of the readout electronics, as well as the beamtest conditions, have been introduced into the GEANT as precisely as possible. Supplementary to this, several adjustments to the above mentioned, original GEANT supplements, have been accomplished to give the best agreement to the measured energy spectra. The such adapted and optimised MC simulation is capable to reproduce the measured proton, pion and electron energy spectra over the full range of particle energies. The derived rejection factors of protons against electrons up to a particle energy of 160 GeV, and those of pions, over the full pion energy range, very well agree with those rejection factors derived from the measured data. Above 160 GeV proton energy a clear discrepancy appears in the comparison between data and MC rejection factors. An additionally introduced diffractive proton proton interaction process is capable to resolve this discrepancy up to the highest energetic measured data. All other attempts to resolve this disagreement failed to follow suit.

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