[論文レビュー] A Cylindrical GEM Inner Tracker for the BESIII experiment at IHEP

R. Farinelli, M. Alexeev+44 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2018

Particle Detector Development and Performance参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、IHEPのBESIII実験向けに、磁場中でも高分解能追跡を実現するためのシリンダ型GEM（CGEM）内トラッカーを提案している。2つの再構成アルゴリズム—電荷重心（CC）と時間に基づくmu-TPC—を採用し、垂直入射と斜め入射、または磁場下の条件に最適化しており、全入射角および最大1 Tの磁場下でも空間分解能が130 μm未塔に安定している。

ABSTRACT

The Beijing Electron Spectrometer III (BESIII) is a multipurpose detector that collects data provided by the collision in the Beijing Electron Positron Collider II (BEPCII), hosted at the Institute of High Energy Physics of Beijing. Since the beginning of its operation, BESIII has collected the world largest sample of J/ψ and ψ(2s). Due to the increase of the luminosity up to its nominal value of 10^33 cm-2 s-1 and aging effect, the MDC decreases its efficiency in the first layers up to 35% with respect to the value in 2014. Since BESIII has to take data up to 2022 with the chance to continue up to 2027, the Italian collaboration proposed to replace the inner part of the MDC with three independent layers of Cylindrical triple-GEM (CGEM). The CGEM-IT project will deploy several new features and innovation with respect the other current GEM based detector: the μTPC and analog readout, with time and charge measurements will allow to reach the 130 μm spatial resolution in 1 T magnetic field requested by the BESIII collaboration. In this proceeding, an update of the status of the project will be presented, with a particular focus on the results with planar and cylindrical prototypes with test beams data. These results are beyond the state of the art for GEM technology in magnetic field.

研究の動機と目的

• BESIII実験の高レート・高磁場環境に適合するシリンダ型GEMトラッカーの開発。
• さまざまな入射角および磁場条件下でも高い空間分解能を維持する課題への対処。
• テストビームデータを用いて、大面積の3重GEM検出器がシリンダ幾何学でどのように動作するかの検証。
• 平面GEMの再構成アルゴリズムがシリンダ型GEM幾何学と互換性を持つことの証明。
• 電荷分布の形状が異なる条件下で、電荷重心法とmu-TPCアルゴリズムの最適性能の遷移を特徴づけること。

提案手法

• INFNのワークショップで、大面積（半径20 cm、長さ80 cm）の3重GEM検出器をシリンダ幾何学で設計・製作。
• 高レート環境下での運用信頼性を確保するため、ガスシールドおよび電気的安定化技術の採用。
• 2つの独立した再構成アルゴリズムの使用：垂直入射には電荷重心（CC）、斜め入射または磁場影響下の入射にはmu-TPC。
• クラスターサイズが2より大きい場合に最適化された、ストリップ電荷の重み付き平均を用いた電荷重心法の適用。
• ドリフト時間とシミュレーテッドドリフト速度（Garfield）を用いて、発火したストリップに2次元位置を割り当てるmu-TPCアルゴリズムの実装。
• CERNでのテストビーム測定を用いた性能評価。増幅設定やクラスターサイズの違いを考慮した、CGEMと平面GEMの応答比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場が存在しない条件下で、シリンダ型GEMトラッカーの空間分解能は入射角にどのように依存するか？
• RQ2 1 Tの磁場が電荷重心法およびmu-TPC再構成アルゴリズムの性能に与える影響は何か？
• RQ3 電荷分布の形状（ガウス型対ボックス型）が、大きな入射角で分解能をどの程度悪化させるか？
• RQ4 磁場下や斜め入射条件下で、電荷重心法の分解能低下をmu-TPCアルゴリズムがどの程度補償できるか？
• RQ5 電荷線形性およびクラスターサイズ応答の観点から、シリンダ型GEMの性能は平面GEMと同等か？

主な発見

• 電荷重心（CC）法は、垂直入射および磁場なしの条件下で110 μmの空間分解能を達成した。
• CCの分解能は、大きな入射角で電荷分布がガウス型からボックス型に歪むため、100 μmを超えて劣化した。
• mu-TPCアルゴリズムは、大きな入射角および磁場下でも分解能を向上させ、ローレンツ角が26°を超えると優位な手法となった。
• CCとmu-TPCの両アルゴリズムの組み合わせにより、全入射角および最大1 Tの磁場下でも空間分解能が130 μm未塔に安定した。
• CGEMにおける平均集積電荷はクラスターサイズに比例し、平面GEMと同等であった。これにより、電子アバランチの挙動が一貫していることが確認された。
• CGEMは両視野で97%の完全効率プラトーを示し、信号電荷および発火ストリップ数は増幅設定に応じて増加した。