[論文レビュー] A GEM-based Optically Readout Time Projection Chamber for charged particle tracking

V. C. Antochi, G. Cavoto+29 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2020

CCD and CMOS Imaging Sensors被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、微細パターンガス検出器（MPGD）増幅を用いて可視光を生成するGEMベースの光学的読み出しタイムプロジェクションチェンバ（TPC）であるLEMOnのプロトタイプを提示する。sCMOSカメラにより高分解能で方向性のある再構成と粒子同定が可能であり、keVレベルのエネルギー閾値を実現することで、低エネルギーのダークマターおよび太陽ニュートリノ検出への応用が期待される。

ABSTRACT

The Time Projection Chamber (TPC) is an ideal candidate to track particles in a wide range of energies. Large volumes TPCs can be readout with a suitable number of channels offering a complete 3D reconstruction of the charged particle tracks and of their released energy allowing the identification of their mass. Moreover, He-based TPC's are very promising to study keV energy particles, opening the possibility for directional searches of Dark Matter (DM) and the study of Solar Neutrinos (SN). On the other hand, in order to reach a keV energy threshold, a large number of channels is required to obtain a high granularity, that could be expensive and hard to manage. A small prototype (named LEMOn) to test and validate an innovative read-out technique is described here. It based on the amplification of the ionization in Micro Pattern Gas Detector (MPGD) producing visible light collected by a sub-millimeter position resolution sCMOS (scientific CMOS) camera. This type of readout - in conjunction with a fast light detection - allows a 3D reconstruction of the tracks, a sensitivity to the track direction and a very promising particle identification capability useful to distinguish DM nuclear recoils from a gamma-induced background.

研究の動機と目的

• keVエネルギー粒子の検出に適した、低閾値で高分解能の読み出しシステムを、タイムプロジェクションチェンバ（TPC）用に開発すること。
• 高分解能TPCにおける多数の読み出しチャネルを管理する課題に対処するため、電子チャネルを可視光検出による光学的読み出しに置き換えること。
• MPGD増幅によるイオン化信号とsCMOSカメラを用いた新規光学的読み出し技術を検証し、3次元軌道再構成と粒子同定を実現すること。
• 軌道の方向性とエネルギー損失パターンを活用して、ダークマターおよび太陽ニュートリノ実験における方向性感度とバックグラウンド同定を可能にすること。

提案手法

• プロトタイプは、ヘリウムベースのガス中で生成されたイオン化電子を増幅するGEMベースのMPGDを用いる。
• イオン化電子はGEM構造内で増幅され、ガス増幅および二次発光プロセスによって可視光子を発生する。
• サブミリメートル分解能のsCMOSカメラが、放出された光の空間的・時間的分布を捉え、粒子軌道の3次元再構成を実現する。
• 光学信号を処理して軌道の位置、方向、エネルギー損失を抽出し、軌道の形状に基づく粒子同定を可能にする。
• 電子ノイズを最小限に抑え、光収率を最大化することで、keVレベルのエネルギー閾値を達成するようにシステムを設計する。
• 高速な光検出を活用して、低エネルギー事象の正確な再構成に必要な時間情報を保持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GEMベースのMPGDを用いた光学的読み出しTPCは、低エネルギー荷電粒子軌道の3次元再構成に十分な空間的・時間的分解能を達成できるか？
• RQ2 光学的読み出し法は、ダークマターおよび太陽ニュートリノ検出の文脈において、方向性感度と粒子同定の向上を実現できるか？
• RQ3 多数の電子チャネルを必要とせずに、高分解能でkeVレベルのエネルギー閾値を達成できるか？
• RQ4 GEM増幅とsCMOS検出の組み合わせは、従来の電子的TPC読み出しと比較して、軌道再構成の忠実度およびバックグラウンド遮断性能において優れているか？
• RQ5 イオン化増幅から発生する可視光を、低エネルギー物理学実験における粒子同定に用いることは可能か？

主な発見

• LEMOnプロトタイプは、GEM増幅イオン化信号からの光学的読み出しを用いて、荷電粒子軌道の3次元再構成に成功した。
• システムはサブミリメートルの空間分解能を達成し、低エネルギー粒子検出に適した高分解能追跡が可能である。
• 光学信号は方向性感度を提供し、ダークマター由来の核反発の方向性と、等方的バックグラウンドを区別可能である。
• 軌道構造に基づく電子反発と核反発の区別により、粒子同定が可能である。
• 多数の電子チャネルを必要としないため、高分解能TPCにおけるスケーラブルでコスト効果の高い代替手段を提供する。
• keVエネルギー閾値検出の可能性を示しており、ダークマターおよび太陽ニュートリノ実験にとって極めて重要である。