Development and test of a prototype for the PANDA Barrel DIRC detector at FAIR

Das PANDA (antiProton ANnihilations at DArmstadt) Experiment ist eines der vier Hauptexperimente an der geplanten Beschleunigeranlage FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), welches auf dem Gebiet der bestehenden GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt entstehen wird. Das PANDA-Experiment wird Untersuchungen auf dem Sektor der Hadronenphysik auf sehr hohem Niveau durchführen, wobei hierfür ein gekühlter Antiprotonenstrahl bislang unerreichter Intensität im Impulsbereich von 1,5-15 GeV/c verwendet werden wird. Es werden zwei Synchrotrone, SIS100 und SIS300, zur Teilchenbeschleunigung zum Einsatz kommen, wobei die Teilchenpakete anschließend den Experimenten zur Verfügung gestellt werden. Die Antiprotonen werden durch Protonenstöße mit dünnen Ni-Targets erzeugt, anschließend akkumuliert, gekühlt und schließlich in den HESR (High Energy Storage Ring) geleitet, an dem sich der PANDA-Detektor befinden wird. Um den vollständigen Nachweis aller Wechselwirkungsprodukte zu gewährleisten, ist der PANDA Detektor in zwei Hauptkomponenten unterteilt: das Vorwärts-Spektrometer (FS) und das Target-Spektrometer (TS). Das TS mit Axialsymmetrie umgibt den Wechselwirkungspunkt und deckt Polarwinkel im Bereich über 22° ab. Das FS wird die Zerfallsprodukte der Teilchenkollisionen analysieren, die in einem engen Winkelkonus von pm5°vertikal und pm 10° horizontal emittiert werden. Zur Durchführung von Untersuchungen im open charm Sektor ist in der zentralen Region des TS (22 -140°), aufgrund des hohen pionischen Untergrundes, eine Pion-Kaon Separation auf dem Niveau von mindestens drei Standardabweichungen erforderlich. Das hierfür vorgesehene Subsystem muss die Teilchenidentifikation (PID) im Impulsbereich von 0,5-3,5 GeV/c gewährleisten und in dem 2 T Magnetfeld des Solenoids betrieben werden. Es muss in der Lage sein, die extrem hohe Wechselwirkungsrate von bis zu 50 MHz zu verarbeiten. Des Weiteren muss es kompakt genug sein um die Größe des sich nach außen anschließenden Elektromagnetischen Kalorimeters in einem akzeptablen Rahmen zu halten und den Einfluss auf die Performanz dieses Subdetektors zu minimieren. Der für PANDA wichtige Impulsbereich zwischen 0,5 und 3.5 GeV/c liegt im Einsatzbereich von Cherenkov-Zählern. RICH (Ring Imaging CHerenkov counter) Detektoren kommen in vielen Experimenten zur Identifikation von geladenen Teilchen zum Einsatz. Das Funktionsprinzip basiert auf der Abhängigkeit des Emissionswinkels der erzeugten Cherenkov-Strahlung und der Zahl der emittierten Photonen von der Geschwindigkeit des einfallenden Teilchens. Es gibt verschiedene Arten von RICH Detektoren, bei PANDA wird ein Detektor zum Einsatz kommen, der auf dem DIRC (Detection of Internally Reflected Cherenkov light) Prinzip basiert...The PANDA experiment at FAIR will perform world class physics studies using high-intensity cooled antiproton beams with momenta between 1.5 and 15 GeV/c. A rich physics program requires very good particle identification (PID). Charged hadron PID for the barrel section of the target spectrometer has to cover the angular range of 22-140° and separate pions from kaons for momenta up to 3.5 GeV/c with a separation power of at least 3 standard deviations. The system that will provide it has to be thin and operate in a strong magnetic field. A ring imaging Cherenkov detector using the DIRC principle meets those requirements. The design of the PANDA Barrel DIRC is based on the successful BABAR DIRC counter with several important changes to improve the performance and optimize the costs. The design options are being studied in detailed Monte Carlo simulation, and implemented in increasingly complex system prototypes and tested in particle beams. Before building the full system prototypes the radiator bars and lenses are measured on the test benches. The performance of the DIRC prototype was quantified in terms of the single photon Cherenkov angle resolution and the photon yield. Results for two full system prototypes will be presented. The prototype in 2011 aimed at investigating the full size expansion volume. It was found that the resolution for this configuration is at the level of in good agreement with ray tracing simulation results. A more complex prototype, tested in 2012, provided the first experience with a compact fused silica prism expansion volume, a wide radiator plate, and several advanced lens options for the focusing system. The performance of the baseline configuration of the prototype with a standard lens and an air gap met the requirements for the PANDA PID for most of the polar angle range but failed at polar angles around 90° due to photon loss at the air gap. Measurements with a prototype high-refractive index compound lens without an air gap at a polar angle of 128° beam angle showed a good resolution of σΘC = 11.8 ± 0.7 mrad and a high photon yield of Nph = 26.1 ± 0.4. Even at polar angles close to 90° the photon yield with this lens exceeded 15 detected photons per particle, meeting the PANDA Barrel DIRC PID requirements for the entire phase space and demonstrating that the compact focusing DIRC is a very promising option for PANDA