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An innovative Cylindrical Gas Electron Multiplier Inner Tracker for the BESIII Spectrometer

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Revolutionärer Teilchendetektor führt zu Hightech-Auslesetechniken und Cloud-Computing-Technologien

Moderne Anwendungen, u. a. in den Bereichen Physik und medizinische Bildgebung gründen auf der Detektion von Teilchen und auf den damit verbundenen Datenextraktions- und Datenanalyseprozessen. EU-finanzierte Forscher haben die Grenzen des Machbaren erweitert und eine bessere Zugänglichkeit für kleinere Organisationen ermöglicht.

Grundlagenforschung

Teilchenbeschleuniger und -detektoren haben uns dabei geholfen, die grundlegenden Eigenschaften des Universums zu verstehen. Der Teilchenbeschleuniger-Komplex Beijing Electron-Positron Collider (BEPCII), der das Beijing Spectrometer (BESIII) und dessen Inner-Tracker Detektor (IT) umfasst, zählt zu den laufenden Experimenten in der Teilchenphysik. Nach mehr als einem Jahrzehnt in Betrieb muss der BESIII IT aufgerüstet werden. Das mithilfe des Marie-Skłodowska-Curie-Programms unterstützte EU-finanzierte Projekt BESIIICGEM widmete sich der Entwicklung einer Lösung. Ein potentielles Hindernis entfacht größere Innovationen BESIIICGEM war auf die Entwicklung eines CGEM-IT-Detektors (Cylindrical Gas Electron Multiplier Inner Tracker) für BESIII ausgerichtet. An der Spitze der Teilchendetektion gab es bis dato lediglich einen funktionierenden CGEM-IT, der in einem Magnetfeld von 0,5 Tesla betrieben wurde. Projektkoordinator Prof. Marco Maggiora erklärt: „Die Verwirklichung des wegweisenden Prototypen führte zu einer beunruhigenden Entdeckung. Die GEM-Technologie eignete sich nicht für große Magnetfelder (über 0,5 T). Das war ein sehr harter Schlag, ein potentieller Spielverderber. Der CGEM-IT wäre im Wesentlichen nutzlos gewesen.“ Doch anstatt den Betrieb einzustellen, führte die Entdeckung zu einer kompletten Umgestaltung des Projektplans und Ablaufs. Hierbei wurde eine Verzögerung von zwei Jahren in Kauf genommen, um wesentliche Innovationen zu ermöglichen, die sich durch einen glücklichen Zufall in unvorhergesehener Weise als überaus wertvoll erwiesen. Vielseitige Teilchendetektions- und Datenauswertungstechnologien Große Magnetfelder stören die räumliche Symmetrie der „Teilchen-Lawine“ in GEM-Detektoren und verringern deren Auflösung. BESIIICGEM entwickelte einen CGEM-IT bestehend aus drei Schichten zylinderförmiger Dreifach-GEM, die als individuelle Detektoren für eine Zeitprojektionskammer (Time Projection Chamber, TPC) fungieren, und aus innovativer angepasster Frontend-Elektronik (FEE) zum Auslesen der Signale bestehen. Das Auslesen eines GEM als Zeitprojektionskammer unter Nutzung präziser Zeitinformationen der FEE ermöglicht auch in großen Magnetfeldern eine sehr präzise Rekonstruktion von Teilchentrajektorien. Der Schlüssel für die Lösung war somit das Auslesen. Das Team entwickelte den Turin Integrated Gem Electronics for Readout (TIGER), einen maßgeschneiderten anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), der den Kern der FEE bildet und zu den wichtigsten Projektentwicklungen zählt. BESIIICGEM untersucht die Verwendung des TIGER-Schaltkreises zum Auslesen anderer Arten von Detektoren und Sensoren für die Satelliten- und Medizintechnik und für darüber hinausgehende Anwendungsbereiche. Die medizinischen Anwendungsmöglichkeiten haben sich mit einer erstaunlichen Geschwindigkeit vervielfältigt. Plangemäß setzten die Partner fortschrittliche Rechentechniken ein, um mit der umfangreichen Datenmenge umzugehen. Gemeinsame Nutzung wertvoller Erkenntnisse Die Techniken hinter dem TPC-Auslesen von GEM-Detektoren wurden umfassend verbreitet und in anderen experimentellen Szenarien angewandt. TIGER ist eine Entwicklung mit hohem Mehrwert und BESIIICGEM macht TIGER anderen Kooperationen zu einer relativ geringen Gebühr verfügbar, welche die mit der Nutzung verbunden Kosten beinhaltet. Um die Hightech-Computing-Techniken kleineren Organisationen verfügbar zu machen, denen es an Personal und Fachwissen im BereichCloud Computing mangelt, entwickelten die Wissenschaftler einfache ,automatische‘ Tools für den Einsatz und die Verwaltung von (Micro -)Cloud-Infrastrukturen. Die dezentral auf USB-Geräte verteilten Tools wurden bereits in mehreren akademischen Kooperationen eingesetzt und könnten bald die Wettbewerbsfähigkeit kleiner und mittlerer Unternehmen (KMU) verbessern. Das Konsortium stellte mit zusätzlichen neuen Partnern einen weiteren Antrag auf Forschungsbeihilfe, um diesen Aufschwung weiter zu nutzen. Die Ergebnisse von BESIIICGEM werden voraussichtlich weit über den Bereich der Teilchenphysik hinausgehen und von der medizinischen Bildgebung bis hin zum Heimatschutz weitreichend Anwendung finden.

Schlüsselbegriffe

BESIIICGEM, Cylindrical Gas Electron Multiplier (CGEM-IT), Detektion, Teilchendetektion, Magnetfeld, Computing, Beijing Spectrometer (BESIII), Cloud, Auslesen, TIGER, ASIC, Physik, medizinische Bildgebung

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