Radiation and background levels in a CLIC detector due to beam-beam effects

Abstract

Der Kompakte Linearbeschleuniger CLIC, ist ein Konzept für einen zukünftigen Elektron– Positron Beschleuniger mit einer Schwerpunktsenergie von 3 TeV. Die hohen Ladungsdichten, verursacht durch kleine Strahlgrößen, und die hohe Strahlenergie am CLIC, führen zur Produktion einer großen Menge von Teilchen durch Strahl-Strahl-Wechselwirkungen. Ein großer Teil dieser Teilchen wird den Detektor ohne Wechselwirkung verlassen, aber eine signifikante Menge Energie wird dennoch im Vorwärtsbereich des Detektors deponiert. Dadurch werden Sekundärteilchen erzeugt, von denen Einige Untergrund im Detektor verursachen werden. Es werden auch einige Teilchen mit inhärent großem Polarwinkel erzeugt, die direkt Untergrund in den Spurdetektoren und Kalorimetern verursachen können. Die Hauptursache von Untergrund im Detektor, entweder direkt oder durch Sekundärteilchen, sind inkohärente e+e− Paare und Teilchen aus hadronischen Zwei-Photon Ereignissen. Die Untergrund- und Strahlungspegel im Detektor müssen bestimmt werden, um zu untersuchen, ob ein Detektor mit den Untergrundbedingungen bei CLIC zurechtkommen kann. Mit Hilfe von Simulation der inkohärenten Paare in dem auf GEANT4 basierendem Programm MOKKA, wird die Geometrie eines auf Detektors für CLIC optimiert um den Untergrund im Vertexdetektor zu minimieren. In diesem optimiertem Detektor werden die Untergrund- und Strahlungspegel durch inkohärente e+e− Paare und hadronischen Zwei-Photon Ereignissen bestimmt. Des Weiteren wird die Möglichkeit untersucht, ob Schauer von hochenergetischen Elektron bei kleinen Polarwinkeln im BeamCal zu identifizieren sind.

The high charge density—due to small beam sizes—and the high energy of the proposed CLIC concept for a linear electron–positron collider with a centre-of-mass energy of up to 3 TeV lead to the production of a large number of particles through beam-beam interactions at the interaction point during every bunch crossing (BX). A large fraction of these particles safely leaves the detector. A still significant amount of energy will be deposited in the forward region nonetheless, which will produce secondary particles able to cause background in the detector. Furthermore, some particles will be created with large polar angles and directly cause background in the tracking detectors and calorimeters. The main sources of background in the detector, either directly or indirectly, are the incoherent e+e− pairs and the particles from gamma gamma to hadron events. The background and radiation levels in the detector have to be estimated, to study if a detector is feasible, that can handle the Compact Linear Collider (CLIC) background conditions. Based on full detector simulations of incoherent e+e− pairs with the GEANT4 based MOKKA program, the detector geometry of a CLIC detector is optimised to minimise the background in the vertex detector. Following the optimisation of the geometry, the background and radiation levels for incoherent pairs and gamma gamma to hadron events are estimated. The possibility of identifying high energy electron showers with the most forward calorimeter, the BeamCal, is investigated.