Development of a Sampling Calorimeter for the LHCb Upgrade

Since 2008 the Large Hadron Collider (LHC) at CERN, Geneva, has offered the ideal testing ground to probe the scientific knowledge of the fundamental interactions. There, the LHCb experiment performs precision measurements of CP violation and rare decays of B hadrons. LHCb will be upgraded to run at a luminosity of 1.5x10$^{34}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$. This will require a substantial modification of its current electromagnetic calorimeter due to high radiation doses in the central region and increased particle densities. This PhD thesis presents an innovative technological solution based on spaghetti calorimeters (SPACAL). The candidate scintillators include both radiation-hard inorganic crystal garnets, for the region with the highest radiation dose, and organic dyes in polystyrene or polysiloxane hosts. The R&D on scintillating materials individuated garnets radiation-hard up to 1 MGy with timing capabilities close to LYSO:Ce. Their composition was then tuned to reduce their decay time at the level of plastic scintillators, keeping competitive timing. Samples of polysiloxane scintillators were tested with promising results. Prototypes of SPACAL with lead or tungsten absorbers were produced and tested at DESY and CERN testbeam facilities. The energy resolutions showed sampling and constant contributions of $\sim10\%/\sqrt{E}\oplus1\%$ in line with the current LHCb modules. The spatial resolutions reached below 1 mm, and time resolutions at the level of 15 ps at high energies. Moreover, time resolution was studied with several PMTs coupled to the scintillators in direct contact or via light guides, with or without optical glues. A Monte Carlo simulation framework was developed, validated with testbeam results, and used to optimise the prototypes. It relies on a hybrid approach to describe the transport of the optical photons, retaining the precision of ray tracing but reducing by orders of magnitude the computation time. The framework was employed to study the deterioration caused by the LHCb background to the time resolution of a SPACAL with tungsten absorber and inorganic crystals, giving further input to the scintillators R&D.

Dal 2008 il Large Hadron Collider (LHC) al CERN di Ginevra offre un terreno ideale per testare la conoscenza scientifica delle interazioni fondamentali. Ivi locato, l’esperimento LHCb esegue misure di precisione di violazione della simmetria CP e decadimenti rari degli adroni B. LHCb verrà aggiornato per operare ad una luminosità di 1.5x10$^{34}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$. Ciò richiederà una modifica sostanziale del suo calorimetro elettromagnetico a causa delle alte dosi di radiazione nella sua regione centrale e dell’incremento del flusso di particelle. Questa tesi di dottorato presenta una soluzione innovativa al problema basata su calorimetri a spaghetti. Gli scintillatori candidati includono cristalli inorganici di granato resistenti alle radiazioni per la regione a massima dose, e scintillatori organici basati su polistirene o siliconi. La ricerca e sviluppo sui materiali scintillanti ha portato ad individuare dei granati resistenti fino a 1 MGy di dose di radiazione e con performance temporali vicine a quelle dei cristalli di LYSO:Ce. Si è poi studiata la loro composizione chimica per ridurre il loro tempo di decadimento al livello degli scintillatori plastici, pur mantenendo performance temporali competitive. Inoltre, dei campioni di scintillatori siliconici sono stati testati, ottenendo risultati promettenti. Molteplici prototipi di calorimetro con assorbitore in piombo o tungsteno sono stati prodotti e testati nelle strutture di test su fascio a DESY e al CERN. Le risoluzioni energetiche ottenute hanno dei contributi stocastici e costanti pari a $\sim10\%/\sqrt{E}\oplus1\%$, al livello degli attuali moduli di LHCb. Le risoluzioni spaziali sono scese al di sotto di 1 mm, mentre le temporali hanno raggiunto i 15 ps ad alte energie. Inoltre, si è studiata la risoluzione temporale in diverse configurazioni con svariati PMT accoppiati agli scintillatori in contatto diretto o con una guida di luce, con o senza accoppiamenti ottici. Un codice di simulazione Monte Carlo è stato sviluppato, validato con i risultati di test su fascio, ed infine utilizzato per l’ottimizzazione dei prototipi. Il punto focale del codice è l’uso di un approccio ibrido alla simulazione dei fotoni ottici che mantiene la precisione di una simulazione raytracing ma riduce il tempo computazionale di vari ordini di grandezza. Il codice è stato poi utilizzato per studiare il degrado della risoluzione temporale di uno SPACAL con assorbitore di tungsteno e cristalli inorganici scintillanti causato dal fondo atteso ad LHCb. Ciò ha permesso di decidere la direzione dello sviluppo futuro degli scintillatori.