Drift-field distortions and specific energy loss calibration of the ALICE TPC in LHC Run 3
Authors:   , Kleiner Matthias 
Published: January 2025

Das ALICE-Experiment am Teilchenbeschleuniger CERN-LHC untersucht vorwiegend Pb-Pb-Schwerionenkollisionen, bei denen ein extrem heißer und dichter Materiezustand entsteht. Um diesen Materiezustand zu untersuchen, werden die bei den Kollisionen entstehenden Teilchen unter anderem mit der Spurendriftkammer (TPC) rekonstruiert und anschließend analysiert. Für die dritte Datenaufnahmeperiode, die 2022 begann, wurden umfangreiche Verbesserungen an der TPC vorgenommen und die neue Softwareumgebung O² entwickelt, um eine kontinuierliche Datenaufnahme zu ermöglichen. Im Rahmen dieser Arbeit werden für die TPC Korrekturen entwickelt und in O² bereitgestellt, um eine präzise Spurrekonstruktion und Teilchenart zu ermöglichen. Im Folgenden wird zunächst kurz die TPC vorgestellt, ehe die Korrekturen erläutert werden.
Das Volumen der zylindrischen TPC ist mit einem Gasgemisch aus Ne-CO₂-N₂ gefüllt und wird durch eine zentrale Hochspannungselektrode in zwei unabhängige Bereiche unterteilt. Die Hochspannungselektrode erzeugt mit einem inneren und einem äußeren Feldkäfig ein homogenes elektrisches Feld entlang der Zylinderachse zu den Auslesekammern, die sich an beiden Endkappen des Zylinders befinden. Ein geladenes Teilchen, das die TPC durchquert, ionisiert Gasatome entlang seiner Spur, wodurch das Teilchen kinetische Energie verliert und freie Elektronen erzeugt werden. Diese Elektronen driften zu den Auslesekammern, wo sie durch vier sogenannte Gas Electron Multiplier (GEM) vervielfacht werden und auf einer segmentierten Ausleseebene Signale erzeugen. Diese gemessenen Signale werden zur Spurrekonstruktion und Teilchenidentifizierung verwendet. Bei den Vervielfachungsprozessen entstehen zudem positiv geladene Ionen, von denen ca. 1% in Form von Raumladungsscheiben in das Volumen der TPC eintreten und zur zentralen Hochspannungselektrode driften. Diese Raumladungsscheiben bilden in der TPC eine Raumladungsdichte, die zeitabhängige Verzerrungen der Driftelektronen von bis zu 10 cm bei Schwerionenkollisionsraten von 50 kHz erzeugt. Diese Verzerrungen müssen für eine präzise Teilchenspurrekonstruktion korrigiert werden.
Die dafür notwendigen Simulationen und Korrekturschritte sind Gegenstand der vorliegenden Arbeit: Die bisher in ALICE verwendeten Algorithmen zur analytischen Berechnung der Verzerrungen werden im Rahmen dieser Arbeit sowohl optimiert als auch in O² implementiert. Mithilfe dieser Algorithmen und mit Simulationen von Schwerionenkollisionen werden analytische Modelle der erwarteten Verzerrungen aufgrund der Raumladungsdichte entwickelt. Zudem wird eine Parametrisierung des magnetischen Feldes bereitgestellt, um Verzerrungen zu berechnen, die aufgrund von Inhomogenitäten des magnetischen Feldes auftreten. Anhand dieser analytischen Modelle wird gezeigt, dass Aufladungseffekte am inneren Feldkäfig nahe der zentralen Hochspannungselektrode signifikante Verzerrungen erzeugen, die mit der Kollisionsrate ansteigen.
Zur Korrektur der Verzerrungen aufgrund der Raumladungsdichte werden dedizierte Methoden bereitgestellt. Hierfür werden die gemessenen Rohsignale auf der Ausleseebene über eine Millisekunde integriert. Diese integrierten Ströme (IDCs) werden während der Datennahme weiterverarbeitet und in der Online-Datenbank des Experiments abgespeichert. Die sogenannten eindimensionalen IDCs geben die Größe von Fluktuationen der Raumladungsscheiben als Funktion der Zeit an, die abhängig von ihrer Position im Volumen der TPC unterschiedlich stark zu den Verzerrungen beitragen. Um diese Beiträge zu bestimmen, werden die rekonstruierten verzerrten Teilchenspuren zum Ort mit der geringsten Entfernung zum Kollisionspunkt (DCA) extrapoliert und mit den eindimensionalen IDCs korreliert. Mit den extrahierten Beiträgen wird in Zeitabständen von ca. 2.8 Millisekunden durch Kombination zweier Korrekturkarten eine dreidimensionale Korrekturkarte während der Teilchenspurrekonstruktion erstellt: Die erste Korrekturkarte beschreibt für eine gegebene Kollisionsrate die mittleren Verzerrungen. Eine zweite Korrekturkarte, die die Änderungen der Verzerrungen in Bezug auf Änderungen in der Raumladungsdichte beschreibt, wird mit den eindimensionalen IDCs, gewichtet mit ihrem jeweiligen Beitrag zu den Verzerrungen, skaliert und linear mit der ersten Korrekturkarte kombiniert.
Zur Korrektur von Verzerrungen, die aufgrund einer Fehlfunktion im wasserbasierten Kühlsystem der TPC auftreten, werden im Rahmen dieser Arbeit analytische Modelle an die gemessenen DCAs angepasst. Die Parameter der analytischen Modelle sind in der Online-Datenbank des Experiments gespeichert und werden während der Teilchenspurrekonstruktion geladen, um Korrekturkarten für diese Verzerrungen zu erstellen. In einem zweiten Teil wird im Rahmen dieser Arbeit eine Korrektur in O² bereitgestellt, die die Auswirkungen der Teilchenspurtopologie und der Detektorgeometrie auf die gemessene Signalhöhe korrigiert. Hierzu werden diese Effekte zunächst simuliert und anschließend parametrisiert.
Die im Rahmen dieser Arbeit in O² implementierten Korrekturen werden von der ALICE-Kollaboration standardmäßig in der Datenrekonstruktion verwendet. Die Korrektur der Verzerrungen aufgrund der Raumladungsdichte ist eine zwingende Voraussetzung für eine präzise Spurrekonstruktion und führt zu bis zu dreimal kleineren DCAs. Die Teilchenidentifizierung wäre ohne die implementierte Korrektur nicht durchführbar.