Towards Quantifying Veto Power with the LDMX HCal prototype

Abstract

According to astronomical observations of galaxies and other large scale dynamics, the universe contains more mass than what is visible. This missing mass is called "dark matter" and have been a subject of study for physicists for decades. The Light Dark Matter eXperiment (LDMX) is a proposed experiment with the purpose to search for dark matter in a low mass range that not many experiments have probed to date. LDMX is a fixed target experiment utilizing electrons scattering in a tungsten target to produce dark matter. The creation of dark matter is then inferred through missing momentum and energy in the final state using high precision measurements. One of the tools that are vital to LDMX is the hadronic calorimeter (HCal), which is responsible for detecting and vetoing neutral hadrons in the final state. A prototype of this detector was tested at CERN in 2022. This thesis uses data taken during the test beam and builds on previous analysis to investigate potential limitations to the HCal's veto power. Monte Carlo simulation data is produced and used as an ideal baseline for for comparison with real data. The HCal's veto power is probed partly through producing particle detection efficiencies in comparison with the simulated data. Limitations to the veto power caused by signal- and error correlations in the prototype are then investigated. The HCal prototype is found to behave well in terms of detection efficiency when compared to Monte Carlo data and the effect of correlated signals are found to not significantly impact the detectors veto power. The effect of readout errors and correlations between them are, however, argued to potentially pose issues to veto power.

Popular Abstract (Swedish)

Vad kan stoppa oss från att hitta mörk materia med LDMX?

När astronomer tittar på de största objekten i vårt universum ser de att stora strukturer, så som som galaxer och galaxkluster, inte rör sig som de förväntar sig. Det visar sig att det finnas en stor mängd extra materia som vi inte kan se. Denna osynliga materia kallar vi ’mörk materia’. Många teorier för vad mörk materia består av har lagts fram genom åren och inkluderar allt från supermassiva svarta hål, stora samlingar av asteroider eller planeter, stora intergalaktiska gasmoln, och helt nya sorters materia. Genom åren har majoriteten av teorier som involverar ’vanlig materia’ uteslutits från en rad olika observationer, och mycket av vetenskapen lutar nu mot nya former av materia som vi inte känner till sedan tidigare.

’The Light Dark Matter eXperiment’ (LDMX) är ett experiment som vi håller på att utvecklas för att söka efter en hypotetisk sorts mörk materia, så kallad ’lätt mörk materia’. Lätt mörk materia är en teori som säger att mörk materia problemet kan förklaras genom att partiklar som är skilda från vanlig materia, och bara växelverkar väldigt svagt med den, skapades tidigt under universums skapelse. Eftersom det är nät intill omöjligt att detektera den mörka materian, jobbar LDMX istället med att mäta vad som inte syns. Experimentet fungerar genom att skjuta en elektron med hög energi mot en tunn folie av volfram. Enligt vår modell kan då en ’mörk foton’ skapas. Denna mörka foton representerar den svaga kopplingen mellan vanlig materia och mörk materia. När den mörka fotonen skapas bär den iväg en del av energin från den ursprungliga elektronen. Genom att mäta elektronens energi väldigt noggrant både före och efter volframs-folien, samt alla andra möjliga partiklar som kommer ut, så kan LDMX se om något saknas. Om så är fallet har vi skapat en mörk foton och påvisat mörk materia!

Ett av instrumenten som behövs för att mäta neutrala partiklar som kan bildas i experimentet är den så kallade ’hadroniska kalorimetern’. Det är viktigt att den hadroniska kalorimetern är väldigt känslig när det kommer till att upptäcka närvaron av neutrala partiklar. Om en neutral partikel flyr experimentet utan att det märks så kommer detta se ut precis som om vi hade skapat mörk materia utan att vi faktiskt har gjort det. Vi har sedan tidigare byggt en prototyp av det här instrumentet och testat det. Vi analyserar nu data från de här testerna för att bedöma hur väl instrumentet fungerar.

Genom den här studien har vi hittat, bland annat, att det ibland förekommer ’döda regioner’ i detektorn där känsligheten är begränsad. Detta blir ett stort problem för att upptäcka närvaron av neutroner. I ett fåtal fall är det ett så stort problem att instrumentet kan vara oanvändbart. Som tur är kan vi, när vi har identifierat dessa fall, plocka ut dem ur vår data så att problem inte uppstår. Vi har även sett tidigare att kalorimetern inte alltid är så känslig som vi hoppas i vanligt bruk. Vi har i den här studien lyckats identifiera att detta är på grund av elektroniska effekter i prototypen. Det här är viktig kunskap för oss eftersom att vi har ny elektronik på väg för nästa omgång tester. Med den här kunskapen vet vi vad vi behöver vara uppmärksamma på i den nya elektroniken. Lärdomarna från den här studien kan även användas för att simulera experiment mer realistiskt. En sådan simulering är fantastiskt användbar eftersom att den låter oss uppskatta hur väl experimentet fungerar utifrån våra hypoteser innan vi bygger det!

• author: Helgstrand, Axel
• supervisor: Hannah Herde; Erik Wallin
• organization: Particle and nuclear physics; Department of Physics
• course: PHYM01 20251
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: LDMX, Hadronic calorimeter, veto power, Dark matter, Light dark matter, Detecction efficiency
• language: English
• id: 9202508
• date added to LUP: 2025-06-19 08:33:26
• date last changed: 2025-06-19 08:33:26