Kalorimetrie in 5 Dimensionen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Katja Annette Ingrid Krüger; Professorin Dr. Lucia Masetti; Professor Dr. Frank Simon
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 530110445

Die präzise Rekonstruktion aller Produkte einer Teilchenreaktion ist von entscheidender Bedeutung sowohl für das Entdeckungspotential, als auch für die Möglichkeiten für Präzisionsmessungen fundamentaler Eigenschaften und Wechselwirkungen von Elementarteilchen. Die Experimente an zukünftigen Teilchenbeschleunigern verwenden hochgranulare "bildgebende" Kalorimeter, um detaillierte dreidimensionale Bilder der Energieverteilung von Teilchenschauern im Detektor zu erhalten. Diese Information wird mit komplexen "Particle Flow"-Algorithmen verarbeitet, die die Informationen der verschiedenen Subsysteme des Experiments auf optimale Weise kombinieren. Dafür benötigen diese Algorithmen die Fähigkeit der Kalorimeter, einzelne Teilchen des Endzustandes nachzuweisen, zu vermessen und von anderen Teilchen zu trennen. Moderne zeitauflösende Sensoren erreichen Zeitauflösungen im Bereich von einigen 10 bis 100 ps, und verwandeln damit bildgebende Kalorimeter in fünfdimensionale Detektoren, mit Auflösung in Raum, Energie und Zeit. Diese Präzision ist vergleichbar mit der Größe von Kalorimeterzellen dividiert durch die Lichtgeschwindigkeit (1 cm = 30 ps × c). Diese Algorithmen projizieren in der Regel Kalorimeterinformation (Schauerprofile, Energieverteilung auf Zellniveau, usw.) in einen standardisierten Satz von Merkmalen. Diese Merkmale werden erweitert durch die zusätzliche Information der Zeitmessung. Dabei wird ausgenutzt, dass ein Teilchenschauer nicht nur eine einfache Zusammenballung energieführender Zellen ist, sondern auch ein zeitgeordnetes Objekt, das in seiner Struktur einem Baum ähnelt. Um neue Technologien auszunutzen, werden die existierenden Particle Flow Algorithmen weiterentwickelt, und mit Hilfe maschinellen Lernens an die gestiegene Komplexität der Daten dieser Kalorimeter der neuesten Generation angepasst. Diese Arbeit bestimmt dabei auch die Anforderungen an die Zeitauflösung entsprechender Sensoren in den Kalorimetersystemen für zukünftige Elektron-Positron-Collider (Higgs-Fabriken). Hierfür werden die entwickelten Algorithmen in detaillierten Studien des Physikpotentials zentraler Kanäle im Bereich des Higgs-Bosons sowie im Bereich elektroschwacher Präzisionsmessungen angewendet. Das Verständnis der Anforderungen an die Zeitauflösung für Kalorimetersysteme für Collider Experimente wird hierbei auch die Richtung für zukünftige Entwicklungen vorgeben. Das CALO5D-Projekt wird auf dem aktuellen Stand der Technik für Kalorimetrie und für die Ereignisrekonstruktion für Higgs-Fabriken aufbauen. Die Projektteilnehmer sind ausgewiesene nationale und internationale Expert:innen für hochgranulare elektromagnetische und hadronische Kalorimeter sowie für Ereginisrekonstruktion, Physik-Studien und Phänomenologie. Das Zusammenführen dieser Kenntnisse ist entscheidend, um das Potential der präzisen Zeitmessung für die Objektrekonstruktion zu bestimmen, sowohl für einzelne Teilchen wie Elektronen und Photonen als auch für komplexe Strukturen wie Jets.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Dr. Vincent Boudry; Dr. Roman Pöschl