Characterization of a novel electromagnetic calorimeter for high-energy muon collisions at sqrt(s) = 10 TeV

The Muon Collider, among the Future Collider proposals, offers unique advantages that could significantly improve research at the energy frontier. Currently, the presence of the Beam Induced Background (BIB), due to the decay of muons along the beam, represents the main challenge for the detector design and for the optimization of the reconstruction algorithm. In fact, despite the presence of nozzles in the forward regions of the detector, an irreducible component of BIB particles enters the detector compromising the measurements. BIB particles are characterized by low momentum, origin shifted with respect to the interaction point and a component out of time with respect to the group crossing time. In order to overcome this challenge, new technological solutions are certainly needed to reduce the impact of BIB particles on the detector performance. As regards the development of the electromagnetic calorimeter, a promising example of this effort is represented by the Crilin proposal (CRystal calorimeter with Longitudinal INformation). It is a novel semi-homogeneous calorimeter based on lead fluorite (PbF2) crystals read by silicon photomultipliers. This new technology, characterized by high granularity and longitudinal segmentation, combined with good temporal and energetic resolution, has the potential to significantly mitigate the effects of BIB particles. This thesis presents the results obtained through studies conducted on the performance of the Crilin technology, both through simulation and analysis of data from experimental tests. By studying the detector response with simulated photons over a wide energy range, it was possible to test the performance of Crilin in terms of energy resolution, efficiency and containment of the electromagnetic shower. Through beam tests on a dedicated Crilin prototype, it was possible to estimate the temporal resolution, which represents one of the characterizing aspects of this calorimeter. The results obtained are very encouraging and these studies constitute an important basis for continuing the development of this promising calorimeter proposal.

Il Muon Collider, tra le proposte Future Collider, offre vantaggi unici che potrebbero migliorare significativamente la ricerca alla frontiera energetica. Attualmente la presenza del Beam Induced Background (BIB), dovuto al decadimento dei muoni lungo il fascio, rappresenta la sfida principale per la progettazione del rivelatore e per l'ottimizzazione dell'algoritmo di ricostruzione. Infatti, nonostante la presenza degli nozzles nelle regioni in avanti del rivelatore, una componente irriducibile di particelle BIB entra nel rivelatore compromettendo le misure. Le particelle BIB sono caratterizzate da basso momento, origine spostata rispetto al punto di interazione e una componente fuori tempo rispetto al tempo di attraversamento del gruppo. Per poter superare questa sfida, sono sicuramente necessarie nuove soluzioni tecnologiche per ridurre l'impatto delle particelle BIB sulle prestazioni del rivelatore. Per quanto riguarda lo sviluppo del calorimetro elettromagnetico, un promettente esempio di questo sforzo è rappresentato dalla proposta di Crilin (CRystal calorimeter with Longitudinal INformation). Esso è un nuovo calorimetro semi-omogeneo basato su cristalli di fluorite di piombo (PbF2) letti da fotomoltiplicatori al silicio. Questa nuova tecnologia, caratterizzata da elevata granularità e segmentazione longitudinale, abbinata a una buona risoluzione temporale ed energetica, ha il potenziale per mitigare significativamente gli effetti delle particelle BIB. Questa tesi presenta i risultati ottenuti attraverso studi condotti sulle prestazioni della tecnologia Crilin, sia tramite simulazione che analisi di dati da test sperimentali. Studiando la risposta del rivelatore con fotoni simulati su un ampio intervallo di energia, è stato possibile testare le prestazioni di Crilin in termini di risoluzione energetica, efficienza e contenimento della doccia elettromagnetica. Attraverso test beam su un dedicato prototipo di Crilin, è stato possibile stimare la risoluzione temporale, che rappresenta uno degli aspetti caratterizzanti di questo calorimetro. I risultati ottenuti sono molto incoraggianti e questi studi costituiscono un'importante base per continuare lo sviluppo di questa promettente proposta di calorimetro.