Characterization Of A New Sapphire Microstrip Detector to be used as a Gamma Beam Profiler in The LUXE Experiment at DESY

LUXE (Laser Und XFEL Experiment) aims to study strong-field Quantum Electrodynamics (SFQED) processes by: (1) observing Sauter-Schwinger pair production; (2) investigating the SFQED transition in non-linear (inverse) Compton scattering (ICS), Breit-Wheeler production, and the trident process; (3) exploring natural models of axion-like particles (ALPs) coupling to photons ($\mathrm{\gamma}$s). Two main set-ups are being investigated in LUXE using the European XFEL: (1) the direct collision of the electron ($\mathrm{e^{-}}$) beam with a high-power laser ($\mathrm{e^{-}}-\text{laser setup}$) ; (2) the conversion of $\mathrm{e^{-}}$ beam to a $\mathrm{\gamma}$ beam before interaction with the laser ($\mathrm{\gamma}$-laser setup). In a $\mathrm{e^{-}}-\text{laser setup}$ run, $\mathrm{e^{-}}$ rest-frame field is Lorentz-boosted exceeding the Schwinger limit allowing access to SFQED phenomena. To characterize this interaction, a measurement of the laser intensity is performed by measuring the angular distribution of the Compton $\mathrm{\gamma}$s. Hence, this measurement of the gamma profile indirectly estimates the laser pulse intensity. For such collisions with high radiation doses, the detector should have a radiation-hard material (up to $10 \ \mathrm{MGy}$) and a resolution (of $5 \ \mathrm{\mu m}$). Therefore, a sapphire microstrip detector is proposed for such a task: the gamma beam profiler (GBP). The development, characterization, and optimization of the sapphire micro-strip detector as a GBP for LUXE are explored using a two-pronged approach. The first approach is a Monte Carlo (MC) simulation to replicate the GBP's performance under various SFQED interactions within LUXE. This simulation provides energy deposition maps, serving as input for a custom digitization MC simulation, which simulates charge collection, front-end response and ADC conversion. This process is crucial for reconstructing the gamma beam profile, measuring beam width resolution and optimizing the performance of GBP. The second approach involves experimental testing (at CLEAR-CERN) and characterization of the GBP from prototypes.

LUXE (Laser Und XFEL Experiment) mira a studiare i processi di Elettrodinamica Quantistica a campo forte (SFQED) attraverso: (1) l'osservazione della produzione di coppie Sauter-Schwinger; (2) l'indagine sulla transizione in SFQED nella diffusione Compton non lineare (inversa) (ICS), nella produzione di Breit-Wheeler e nel processo del tridente; (3) l'esplorazione di modelli naturali di particelle simili agli axion (ALP) che si accoppiano ai fotoni ($\mathrm{\gamma}$). Due principali configurazioni sono in fase di indagine in LUXE utilizzando l'XFEL europeo: (1) la collisione diretta del fascio di elettroni ($\mathrm{e^{-}}$) con un laser ad alta potenza ($\mathrm{e^{-}}-\text{laser setup}$); (2) la conversione del fascio di elettroni ($\mathrm{e^{-}}$) in un fascio di $\mathrm{\gamma}$ prima dell'interazione con il laser ($\mathrm{\gamma}$-laser setup). In una corsa $\mathrm{e^{-}}-\text{laser setup}$, il campo di riferimento a riposo di $\mathrm{e^{-}}$ viene potenziato Lorentz superando il limite di Schwinger permettendo l'accesso ai fenomeni SFQED. Per caratterizzare questa interazione, si esegue una misura dell'intensità del laser misurando la distribuzione angolare dei $\mathrm{\gamma}$ di Compton. Pertanto, questa misura del profilo gamma stima indirettamente l'intensità dell'impulso laser. Per tali collisioni con dosi elevate di radiazione, il rivelatore dovrebbe avere un materiale resistente alle radiazioni (fino a $10 \ \mathrm{MGy}$) e una risoluzione (di $5 \ \mathrm{\mu m}$). Pertanto, viene proposto un rivelatore a microstrisce di zaffiro per tale compito: il profilatore del fascio gamma (GBP). Lo sviluppo, la caratterizzazione e l'ottimizzazione del rivelatore a microstrisce di zaffiro come GBP per LUXE sono esplorati utilizzando un approccio a due punte. Il primo approccio è una simulazione Monte Carlo (MC) per replicare le prestazioni del GBP sotto varie interazioni SFQED all'interno di LUXE. Questa simulazione fornisce mappe di deposizione di energia, servendo come input per una simulazione MC di digitalizzazione personalizzata, che simula la raccolta di carica, la risposta dell'elettronica frontale e la conversione ADC. Questo processo è fondamentale per ricostruire il profilo del fascio gamma, misurando la risoluzione della larghezza del fascio e ottimizzando le prestazioni del GBP. Il secondo approccio coinvolge test sperimentali (presso CLEAR-CERN) e la caratterizzazione del GBP dai prototipi.