Myon-System
Als geladene Teilchen erzeugen Myonen in den Spurdetektoren und den Teilchenidentifikationsdetektoren Signale, in bestimmten Impulsbereichen sind sie jedoch schwer von leichten Hadronen zu unterscheiden. Für eine eindeutige Identifizierung wird ausgenutzt, dass Myonen langlebige Teilchen mit einer vergleichsweise geringen Wechselwirkung mit den Detektormaterialien sind, die typischer Weise die äußeren Bereiche des Detektors erreichen können. Daher werden zusätzliche Myonendetektoren im segmentierten Eisenjoch des Magnetsystems, das zur Rückführung des magnetischen Flusses dient, montiert.
Phyikalische Anforderungen an das Myon-System
Die Notwendigkeit Myonen im PANDA-Experiment über einen weiten Impulsbereich von weniger als 1 GeV/c bis zu 10 GeV/c (zum Beispiel aus J/ψ- oder anderen Charmonium-Zerfällen oder aus Drell-Yan-Prozessen etc.) zu messen, erfordert eine gute Myonen-Identifikation. Verwendet man beispielsweise Myon-Antimyon-Paare aus Drell-Yan-Prozessen umd die Performanz des PANDA-Detektors zu beurteilen, ist nicht nur der große Impulsbereich relevant, sondern es werden auch große Polarwinkel bis zu 150° im Laborsystem erreicht. Der Drell-Yan-Prozess ist eine naheliegende Wahl um das Myon-System zu optimieren, das die Impulsverteilung der so erzeugten Myon-Antimyon-Paare besonders breit ist und den gesamten Bereich abdeckt, der durch andere Prozesse mit Myonen im Endzustand wie zum Beispiel aus Zerfällen des J/ψ oder von D-Mesonen.
Ganz allgemein lässt sich feststellen, dass die interessanten Prozesse mit Myonen im Endzustand kleine Wirkungsschnitte im Vergleich zu Untergrundkanälen haben, so dass eine sehr gute Myon-Identifikation wichtig..... ist, um das Signal-zu-Untergrund-Verhältnis zu maximieren. Es sind verschiedene Detektor-Systeme und Methoden denkbar, um Myonen zu identifizieren wie zum Beispiel
- Myon-Spurdetektoren bei denen selbst in Anwesenheit hadronischer Schauer deutliche Spuren sichtbar sind
- elektrische und hadronische Kalorimeter zur Bestimmung des Energieverlusts
- Szintillations-Zähler zur Flugzeitmessung
- Cerenkov-Zähler
Das erste System ist dabei wichtigste System für eine zuverlässige Myon-Identifikation, wobei die anderen Systeme ebenfalls wichtig sind um dieses zu ergänzen. Eine Korrelation der Signale von allen unabhängigen Systemen sollte die gewünschte Signalreinheit für Myonen gewährleisten. Diese Korrelationen werden umso wichtiger, je kleiner der Strahlimpuls ist.
Wie üblich ist die primäre Aufgabe des Myon-Systems die Mustererkennung zwecks Myon-Identifikation und die Zuordnung der verschiedenen Signale zu den Spursegmenten im Magnete. Die präzise Messung des Myon-Impulses wird von den Spurdetektoren innerhalb des Magnetfelds durchgeführt.
Range System
Die für die Detektion von Myonen im PANDA-Experiment am besten geeignete Technik ist ein Reichweitensystem (engl. Range System - RS) mit geeigneter Granularität in der Größenordnung der Myon-Streuung im als Absorber genutzten Eisen des Magnet-Jochs.
Die RS-Struktur ist eine bekannte Lösung um sowohl die Myonen zu detektieren, die im Absorber gestoppt werden, als auch solche, die den Absorber durchqueren. Im ersten Fall lässt sich sogar die Energie des Myons grob abschätzen. Die Bremsleistung von Eisen beträgt für relativistische Myonen mit einem Energieverlust von 2 MeV/g etwa 1.5 GeV pro Meter des Absorbermaterials. Unter Berücksichtigung der Abhängigkeit des Polarwinkels vom Impuls es Myons, erweist sich eine Anordnung mit einem zylindrischen Teil und einer Endkappe in Vorwärtsrichtung ergänzt um den Myon-Filter.
Der Myon-Filter hat mechanisch die selbe Struktur wie die Endkappe und erfüllt zwei Aufgaben:
Einerseits erhöht er die Dicke des Absorbers bei mittleren Winkeln für eine bessere Detektion der Myonen und andererseits stellt er eine zusätzliche magnetische Schirmung zwischen dem Solenoid des Target-Spektrometers und dem Dipol des Vorwärts-Spektrometers dar.
Die Schichtdicke des Eisen-Absorbers im zylindrischen Teil beträgt nur 3 cm, da die Myonen, die diesen Teil erreichen Energien unterhalb von 1 GeV haben. In der Endkappe und dem Myon-Filter ist eine Schichtdicke von 6 cm besser, da die Myonen, die dort eintreffen, höhere Energien haben.