Development of a silicon pixel tracker for the measurement of the differential charm cross section of 400 GeV/c proton collisions on a SHiP-like thick target

Abstract

The Search for Hidden Particles (SHiP) experiment is proposed to search for weakly interacting particles in a beam-dump setup with a 400 GeV proton beam of unprecedented intensity at the CERN SPS. An important parameter in modeling signal and background is the charm production cross section in the SHiP target, which is not known with sufficient precision and has in fact never been measured for cascade production. The SHiP– charm experiment is designed to measure the charm cross section in a thick target, where cascade production dominates. The experiment is proposed for the same SPS beam as SHiP. The experiment has a moving target, instrumented with nuclear emulsions for direct observation of production and decay of charmed hadrons, followed by a spectrometer. It is crucial for the experiment to timestamp tracks and vertices in the nuclear emulsion for accurate event reconstruction. Within the scope of this work, a pixel tracker, placed directly downstream of the target as part of the spectrometer, has been built and operated in an optimisation testbeam for SHiP– charm. As first electronic detector in the setup the pixel tracker is connecting observed tracks and vertices in the emulsion with electronic, timestamped events in the spectrometer. The detector setup is presented, the performance of the pixel tracker is discussed, and the matching of pixel tracker events with tracks and vertices detected in the emulsion target is presented in this thesis.

Die SHiP-Kollaboration schlägt ein Beam-Dump Experiment mit dem 400 GeV Protonen- strahl des CERN SPS vor. Mit bisher unerreichter Intensität soll das SHiP-Experiment nach extrem schwach wechselwirkenden Teilchen suchen. Ein wichtiger Parameter zur Modellierung von Signal und Hintergrund dieser Messung ist der Wirkungsquerschnitt für die Produktion von Charm Quarks im SHiP-Target. Dieser Wirkungsquerschnitt ist bisher nur mit unzureichender Genauigkeit bekannt und wurde darüber hinaus für die Kaskadenproduktion von Charm Quarks noch nie gemessen. Für die Messung dieses Wikungsquerschnittes in Kaskadenproduktion wurde das SHiP– charm-Experiment entworfen. Das Experiment wird für den gleichen SPS Protonenstrahl vorgeschlagen wie SHiP und verfügt über ein dickes Target in dem die Kaskadenproduktion von Charm Quarks dominiert. Das Target in SHiP–charm bewegt sich durch den Pro- tonenstrahl und ist mit Kernemulsionsplatten ausgestattet, die eine direkte Beobachtung von Produktion und Zerfall der Hadronen mit Charm Quarks ermöglichen. Dieses Target wird durch ein Spektrometer ergänzt. Für das Experiment ist es von entscheidender Bedeutung, die Teilchenspuren und Interaktionsvertices in der Emulsion den Ereignissen im Spektrometer zeitlich und räumlich zuzuordnen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Pixeldetektor zur Spurrekonstruktion als Teil des Spek- trometers direkt hinter dem Target gebaut und in einem Vorexperiment zur Integration der verschiedenen Detektoren von SHiP– charm betrieben. Als erster elektronischer Detektor des Spektrometeraufbaus verbindet der Pixeldetektor die beobachteten Teilchenspuren und Interaktionsvertices in der Emulsion mit den elektronisch aufgezeichneten Ereignissen des Spektrometers. In dieser Arbeit werden Aufbau und Funktionsprinzip des Pixelde- tektors erklärt, die Betriebseigenschaften des Detektors diskutiert und die Zuordnung der Ereignisse im Pixeldetektor zu den Teilchenspuren und Interaktionsvertices in der Emulsion vorgestellt.