Position resolution in crystal calorimeter

Abstract

LYSO kristalinin, hızlı bozunma süresine, yüksek ışık verimine, küçük Molière yarıçapına sahip olması ve radyasyona dayanıklılığı gibi temel özelliklerinden dolayı Türk Hızlandırıcı Merkezi Parçacık Fabrikası dedektörünün elektromanyetik kalorimetre (THM-PF EKAL) ünitesinde kullanılması önerilmektedir. Bu çalışmada, 3×3 LYSO matrisinden oluşan bir kalorimetreye gönderilen bir elektron tarafından başlatılan elektromanyetik sağanağın ağırlık merkezinin konumunu belirlemek için ağırlık merkezi yöntemi kullanıldı. Kalorimetre, her birinin ön ve arka yüzü 25 mm × 25 mm olan, 200 mm uzunluğunda dokuz kristalden oluşmaktadır. 0,1 GeV ile 2 GeV aralığında enerjilere sahip elektronlar için, kalorimetre prototipinin performansı incelenmiştir. GEANT4 Monte Carlo simülasyonu kullanılarak, kristal matrisinin merkezindeki kristale dik olarak gönderilen bir elektron için elektromanyetik kalorimetrenin konum çözünürlüğü, x-ekseni doğrultusunda 𝜎𝑥 = ((2,77 ± 0,07)⁄√𝐸)⨁(1,46 ± 0,10) mm ve y-ekseni doğrultusunda 𝜎𝑦 = ((2,77 ± 0,05)⁄√𝐸)⨁(1,31 ± 0,07) mm olarak elde edilmiştir. Ayrıca, EKAL modülünün iki boyutlu konum çözünürlüğü, kristalin merkezinde 𝜎𝑅 = ((3,95 ± 0,08)⁄√𝐸)⨁(1,91 ± 0,11) mm olarak hesaplanmıştır. Son olarak, kristal matrisinin yüzeyine çeşitli açılarda elektronlar gönderilerek konum çözünürlüğünün elektronun geliş açısına bağlı değişimi incelenmiştir. LYSO matrisine gönderilen elektronun geliş açısı arttıkça konum çözünürlüğünün bozulduğu ve en iyi konum çözünürlüğünün elektron matris yüzeyine dik olarak gönderildiğinde elde edildiği gözlemlenmiştir.

LYSO crystal, because of its major properties for instance, fast decay time, high light yield, small Molière radius and good radiation hardness, is proposed to be used for the electromagnetic calorimeter unit of Turkish Accelerator Center Particle Factory detector (TAC- PF ECAL). In this study, the center of gravity method was used to determine the position of the center of gravity of the electromagnetic shower initiated by an electron sent to a calorimeter consisting of a 3×3 LYSO matrix. The calorimeter consists of nine 200 mm long crystals, each with 25 mm × 25 mm front and backside faces. The performance of a calorimeter prototype consists of LYSO crystal scintillators has been measured at normal incidence by electron having energies between 0.1 GeV and 2 GeV. The position resolution of the TAC-PF electromagnetic calorimeter for an electron injected perpendicular to the central crystal is parameterized by means of GEANT4 Monte Carlo simulation as 𝜎𝑥 = ((2.77 ± 0.07)⁄√𝐸)⨁(1.46 ± 0.10) mm in the x-axis direction, and 𝜎𝑦 = ((2.77 ± 0.05)⁄√𝐸)⨁(1.31 ± 0.07) mm in the y-axis direction. Also, simulated position resolution in the two-dimensional prototype of ECAL is found to be 𝜎𝑅 = ((3.95 ± 0.08)⁄√𝐸)⨁(1.91 ± 0.11) mm at the center of the central crystal. Finally, electrons are sent at various angles to the surface of the crystal matrix and the variation of position resolution depending on the electron incidence angle is investigated. It has been observed that the position resolution deteriorates as the incidence angle of the electron sent to the LYSO matrix increases and the best position resolution is obtained when the electron is sent perpendicular to the matrix surface.