KIP-Veröffentlichungen

Das Mu3e-Experiment ist für die Suche nach dem Lepton-Flavour verletzenden Zer-
fall μ → eee konzipiert. Die angestrebte finale Sensitivität des Experiments beträgt
dabei 10^-16, was eine Verbesserung der aktuellen Obergrenze um vier Größenordnungen
darstellt. Um diese Sensitivität zu erreichen, wird eine hervorragende Vertex-, Impuls-
und Zeitauflösung der Zerfallsprodukte zur Unterdrückung des Untergrundes benötigt.
Der Kacheldetektor ist mit einer Zeitauflösung unter 100 ps darauf ausgelegt, innerhalb des
Mu3e-Experimentes die präziseste Zeitinformation bereitzustellen, und ist daher essentiell
für die Unterdrückung von kombinatorischem Untergrund. Der Detektor besteht aus zwei
zylindrischen Einheiten, die jeweils modular aufgebaut sind. Die Grundbestandteile sind
Kacheln aus einem Plastikszintillator-Material, die einzeln an Silizium-Photomultiplier
gekoppelt sind. Die Auslese erfolgt durch einen eigens dafür entwickelten ASIC.
Die vorliegende Dissertation beschreibt die Planung, den Bau und die thermische
Simulation des Kacheldetektors von der Prototypphase bis zur Produktionsreife. Der
Bau des ersten technischen Prototyps zeigt die Funktionalität des Detektorkonzepts, mit
dem eine hervorragende Einzelkanal-Zeitauflösung von ≈ 47 ps erzielt werden kann. Der
technische Prototyp fungiert daher als Grundlage für verschiedene Anpassungen und
Optimierungen des Kacheldetektor-Designs, die sowohl dazu dienen, den Detektorbau zu
erleichtern, als auch den Einbau in das Mu3e-Experiment zu ermöglichen. Parallel dazu
werden fortlaufend thermische Simulationen von neuen Entwürfen des Kühlkreislaufes
durchgeführt um sicherzustellen, dass die Kühlfähigkeit trotz der Anpassungen den
Anforderungen des Detektors entspricht. Des Weiteren wird auf Grundlage des finalen
Detektorkonzepts, das in dieser Arbeit realisiert wurde, eine Produktionsstraße mit eigens
entwickelten Vorrichtungen zum Detektorbau sowie Maßnahmen zur Qualitätssicherung
aufgebaut und anhand des Baus zweier Vorserien-Module evaluiert. Die Module werden
auf dedizierten Messkampagnen in Betrieb genommen und anhand erster Kalibrationsal-
gorithmen abgestimmt. Alle bekannten und korrigierbaren Fehlerquellen ausgenommen,
sind über 96 % der getesten Kanäle voll funktionsfähig und die finale Produktion des
Kacheldetektors kann dementsprechend beginnen. Der Bau, die Installation und die
Inbetriebnahme des Detektors sind für die Jahre 2024/2025 geplant.

The Mu3e experiment is designed to search for the charged lepton flavour violating decay
μ → eee with an ultimate single event sensitivity of 10^-16 – four orders of magnitude
better than the current best exclusion limit. In order to reach this sensitivity, excellent
vertex, momentum, and timing measurements of the decay products are needed for the
background suppression. With a timing resolution < 100 ps, the Tile Detector is designed
to provide the most accurate timing information in the Mu3e experiment and is crucial
for the suppression of combinatorial background. It consists of two barrels built in a
modular approach and utilises plastic scintillator tiles, which are individually coupled to
silicon photomultipliers read out by a custom ASIC.
This thesis describes the design, construction, and thermal simulation of the Tile
Detector from the prototype stage to production readiness. The construction of the first
technical prototype proves the functionality of the detector concept, yielding a single-
channel time resolution of ≈ 47 ps. With the technical prototype serving as a baseline,
the Tile Detector design is adapted and optimised in order to simplify the construction
on the one hand, and on the other hand to facilitate the mechanical integration into
the experiment. In parallel, thermal simulations of the intermediate design stages of
the cooling circuit ensure that the cooling capability is suitable for the Tile Detector
requirements. Based on the finalised detector design, which was implemented in this work,
a production line with custom tools and dedicated quality control procedures is developed
and evaluated during the construction of two preproduction modules. Measurement
campaigns are conducted to commission and tune the modules using first calibration
procedures. After excluding all known and fixable errors, more than 96 % of the tested
channels are fully functional. As a result, production readiness is achieved for the Tile
Detector, paving the way for the full detector construction, installation and commissioning
foreseen in 2024/2025.