Oriented crystals: an innovative approach to electromagnetic calorimetry

This thesis was performed within the OREO (ORiEnted calOrimeter) project (Approved by the INFN–CSNV and developed within subtask 1.3.4 of the DRD Calo collaboration at CERN) and deals with the R&D of a homogeneous electromagnetic calorimeter based on oriented crystals. Calorimeters are blocks of instrumented material in which electrons, positrons or photons are fully absorbed and their energy measured. The impact of the crystalline lattice and its orientation on the electromagnetic shower development is typically ignored. However, when a particle impinges at small angles relative to the crystal planes or axes, the strong coherent lattice field enhances the bremsstrahlung and pair production cross sections, accelerating the electromagnetic shower development. The R&D consisted of the following steps: first, the modification of the electromagnetic interactions was investigated in a single crystal; next, two dedicated beamtests demonstrated the possibility of aligning a layer of crystals along the same crystallographic direction; finally, the OREO calorimeter was assembled and characterized over a wide range of energies. This work demonstrates, for the first time ever, the feasibility of a homogeneous EM calorimeter with oriented crystals that achieves improved energy resolution, increased deposited energy per unit length and thus better shower containment, and enhanced electron/ hadron discrimination thanks to the OREO longitudinal segmentation, typically absent in homogeneous calorimeters.

Questa tesi è stata svolta nell’ambito del progetto OREO (ORiEnted calOrimeter) (approvato dall’INFN–CSNV e sviluppato all’interno della subtask 1.3.4 della collaborazione DRD Calo al CERN) e riguarda l’attività di R&D per un calorimetro elettromagnetico omogeneo basato su cristalli orientati. I calorimetri sono blocchi di materiale strumentato nei quali elettroni, positroni o fotoni vengono completamente assorbiti e la loro energia viene misurata. L’impatto del reticolo cristallino e del suo orientamento sullo sviluppo dello shower elettromagnetico è tipicamente trascurato. Tuttavia, quando una particella incide con un piccolo angolo rispetto ai piani o agli assi cristallini, il forte campo coerente del reticolo incrementa le sezioni d’urto di bremsstrahlung e di produzione di coppie, accelerando lo sviluppo dello shower elettromagnetico. L’attività di R&D si è articolata nelle seguenti fasi: innanzitutto è stata studiata, in un singolo cristallo, la modifica delle interazioni elettromagnetiche; successivamente, due test su fascio hanno dimostrato la possibilità di allineare più cristalli lungo la stessa direzione cristallografica; infine, il calorimetro OREO è stato assemblato e caratterizzato . Questo lavoro dimostra, per la prima volta, la fattibilità di un calorimetro EM omogeneo con cristalli orientati ottenendo una migliore risoluzione energetica, un maggior depositato energetico per unità di lunghezza — e quindi un miglior contenimento dello shower — nonché una discriminazione elettroni/adroni potenziata grazie alla segmentazione longitudinale di OREO, tipicamente assente nei calorimetri omogenei.