Aufbau und Simulation des KAOS-Spektrometers für Koinzidenzmessungen in der assoziierten Kaonproduktion

Mit der Erweiterung des Elektronenbeschleunigers MAMI um eine dritte Stufe ist es möglich geworden, am Institut für Kernphysik Teilchen mit offener Strangeness zu produzieren. Für deren Nachweis ist die Drei-Spektrometeranlage der Kollaboration A1 um das von der GSI in Darmstadt übernommene KAOS-Spektrometer erweitert worden. Untersucht wird damit die elementare Reaktion p(e,e' K+)Lambda/Sigma0 wobei das auslaufende Elektron und das Kaon nachgewiesen werden müssen. Wird als Target nicht Wasserstoff verwendet, besteht die Möglichkeit dass sich ein Hyperkern bildet. Spektroskopische Untersuchungen an diesen bieten die Möglichkeit das Potential von Hyperonen in Atomkernen und die Hyperon-Nukleon-Wechselwirkung zu untersuchen. Aufgrund der hervorragenden Strahlqualität bei der Elektroproduktion können hier Massenauflösungen von einigen hundert keV/c² erreicht werden. Mit Hilfe von GEANT4 wurden die Detektoren und die Abbildungseigenschaften des Spektrometers simuliert. Geeignete Ereignisgeneratoren wurden implementiert. Es wurde untersucht, wie mögliche Treffermuster in den Detektoren aussehen, die von einem Trigger auf FPGA-Basis selektiert werden müssen. Ebenso konnte hieraus eine erste Abbildung der Spurkoordinaten auf die Targetkoordinaten und den Teilchenimpuls gewonnen werden. Für das Hyperkernprogramm muss KAOS unter 0° Vorwärtsrichung betrieben werden und der Primärstrahl mit Hilfe einer Schikane durch den Dipol gelenkt werden. Die Simulation zeigt hier eine nur moderate Erhöhung der Strahlenbelastung, vor allem im Bereich des Strahlfängers. Somit ist es möglich, KAOS als doppelseitiges Spektrometer in der Spektrometerhalle zu betreiben. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die für sämtliche Detektoren nötige Auslese- und Steuerungselektronik in das vorhandene Datenerfassungssystem und das Steuerungssystem eingebunden. In zwei Strahlzeiten im Herbst 2008 wurden Kaonen im Winkelbereich von 20°-40° mit Impulsen zwischen 400MeV/c und 600MeV/c nachgewiesen. Die aus der Simulation gewonnenen Daten zum Trigger und zur Abbildung kamen zum Einsatz. Es konnte die für eine gute Teilchenidentifikation nötige Zeitauflösung von ca. 1ns FWHM erreicht werden. Die erreichte Winkel- und Impulsauflösung war ausreichend um Lambda und Sigma0-Hyperonen im Spektrum der fehlenden Masse leicht trennen zu können.

With the extension of the Mainz microtron MAMI at the Institut für Kernphysik with a third stage it is now possible to produce particles with open strangeness. For their detection the spectrometer facility of the A1 collaboration has been expanded with the KAOS-spectrometer which has been inherited from GSI in Darmstadt. We are studying the p(e,e' K+)Lambda/Sigma0 reaction where the outgoing electron and kaon have to be detected. If we use a different target than hydrogen there is the possibility of a hypernuceus being formed. Spectroscopy of these gives the opportunity to study the hyperon potential within the atomic nucleus and the hyperon-nucleon interaction. Due to the good quality of the electron beam mass resolutions of a few hundred keV/c² can be achieved. The detectors and the optical properties of the spectrometer have been simulated with GEANT4. Hit pattern in the detectors have been generated to aid the programming of the FPGA-based trigger. A first mapping of the detector coordinates to the target coordinates has been generated. For the experiments with hypernuclei KAOS has to be placed at 0° forward angle and the primary electron beam has to go via a magnetic chicane through the dipole. The simulation shows only a slight increase of the radiation for this case, especially around the beam-dump. Thus it is possible to operate KAOS as double sided spectrometer at MAMI. Within the scope of this thesis the readout and control electronics for all detectors had to be integrated into the existing A1 data acquisition and into the control system. During two beamtimes in autumn 2008 kaons where detected in the angular range between 20° and 40° and the momentum range between 400MeV/c and 600MeV/c. A time resolution of 1ns FWHM could be achieved which allows particle identification. The angular and momentum resolution was sufficient to identify Lambda and Sigma0 hyperons in the missing mass spectrum.