The development of a novel type of tracking detector, a TPC with GEM-based gas amplification, is documented. A TPC can be regarded as an almost ideal tracking detector, and devices of that kind have been widely used in particle physics in the past. Their small material budget allows the measurement of charged-particle trajectories in large volumes. At the same time, TPCs contribute to the identification of particles via the measurement of the specific energy loss along the path of flight. Their operation has so far been limited, however, to rather low rates by specifics of their technical implementation. It is discussed, how this important limitation can be overcome by the introduction of GEM foils into the detector design. A large prototype of such a detector - constructed in 2010 - is presented, and its integration into the FOPI spectrometer at GSI during a two-weeks physics campaign in 2011 is described. The steps necessary for the extraction of physical properties from the signals measured in this combined setup, as well as their implementation in software, are discussed. From the obtained data, key performance characteristics of the device like the spatial tracking resolution, the momentum resolution and the performance of the specific-energy-loss reconstruction are evaluated. The convincing performance of the device has gained the interest of the particle-physics community. In cooperation with the ALICE collaboration, the ALICE TPC is currently being equipped with GEM technology in view of the upcoming luminosity upgrade of the LHC. The second part of this work describes the extraction of physical properties from the 2011 data. Specifically, the production of strange hadrons in Pion-induced interactions at 1.7 GeV/c beam momentum can be studied. Chiral perturbation theory in the SU(3) flavour sector predicts the existence of a repulsive interaction between nucleons and kaons with S = +1. Signatures of this potential are studied in the momentum spectra of produced K+ and K0 for two different nuclear targets (C and Pb). For both charged and neutral kaons, a relative depletion of the phase space at small momenta is observed for the Pb system, compatible with expectations. The results obtained in the K0 channel are compared to predictions from transport calculations and earlier measurements.
Translated abstract:
In dieser Dissertation wird die Entwicklung eines neuartigen Detektors zur Spurrekonstruktion, einer TPC mit GEM-basierter Gasverstärkung, dokumentiert. Der Einsatz von TPCs in der Teilchenphysik ist weit verbreitet, denn Detektoren dieser Art können als nahezu ideale Spurdetektoren angesehen werden. Ihre geringe mittlere Dichte erlaubt die Abdeckung großer Volumina. Gleichzeitig können TPCs über eine Messung des spezifischen Energieverlusts von geladenen Teilchen beim Durchgang durch das aktive Detektormaterial zur Identifikation der Teilchenspezies beitragen. Allerdings war ihr Einsatz bisher durch einige Details ihrer technischen Realisierung auf Experimente mit niedrigen Reaktionsraten begrenzt. In dieser Arbeit wird erläutert, wie diese Einschränkung durch die Einbringung von GEM-Folien in die Konstruktion überwunden werden kann. Ein großer Prototyp einer solchen GEM-TPC, der im Jahr 2010 fertiggestellt wurde, wird beschrieben. Im Jahr 2011 wurde der Detektor für eine zweiwöchige Strahlzeit in das FOPI Spektrometer (GSI) integriert. Die nötigen Schritte, um aus den gemessenen Signalen physikalische Größen zu extrahieren, sowie deren Implementierung in Software, werden erläutert. Die aufgezeichneten Daten erlauben die Charakterisierung wichtiger Leistungsdaten des Detektors, wie z.B. der Spurauflösung, des Beitrags zur Impulsauflösung und der Leistungsfähigkeit bezüglich der Messung des spezifischen Energieverlusts. Die überzeugenden Resultate dieser Studien haben u.a. dazu geführt, dass im Rahmen einer neuen Zusammenarbeit mit der ALICE Kollaboration die TPC des ALICE Detektors mit GEM-Technologie aufgerüstet wird. Dies ist notwendig, um vom aktuell durchgeführten Upgrade des LHC profitieren zu können. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Analyse der Daten aus dem Jahr 2011 im Hinblick auf ihren physikalischen Inhalt beschrieben. Konkret kann dabei die Produktion von Hadronen mit Strangeness in Pionen-induzierten Reaktionen bei einem Strahlimpuls von 1,7 GeV/c studiert werden. Im Rahmen der chiralen Störungstheorie im SU(3) flavour Sektor wird die Existenz einer repulsiven Wechselwirkung zwischen Nukleonen und Kaonen mit Strangeness S = +1 vorhergesagt. Die gemessenen Impulsverteilungen der mit unterschiedlichen Targets (C und Pb) produzierten K+ und K0 werden auf Signaturen dieser Wechselwirkung hin untersucht. Sowohl für neutrale wie auch für geladene Kaonen kann eine Entvölkerung des Phasenraumes bei kleinen Impulsen beobachtet werden, die im Falle des Bleitargets größer ausfällt. Diese Beobachtung ist mit den theoretischen Vorhersagen verträglich. Zuletzt werden die Ergebnisse im Falle der K0 mit Vorhersagen aus Transportrechnungen sowie mit einer früheren Messung verglichen.
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