[論文レビュー] A study of decays to strange final states with GlueX in Hall D using components of the BaBar DIRC

The GlueX Collaboration, M. Dugger+105 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2014

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、ジェファーソンラボのGlueX実験における粒子ID検出器であるFocusing DIRC（FDIRC）を、廃棄されたBaBar DIRC部品を再利用することで構築することを提案する。これにより、中間子の識別性能を著しく向上させ、10 GeV/cまでのカイオン識別が可能になる。1/3のBaBar石英バーと、大面積フォトディテクタ（例：LAPPDまたはMaPMT）を統合した新規焦点化光学系を採用することで、非摂動的QCDにおけるハイブリッド中間子や奇妙な最終状態の研究に不可欠な高精度なカイオン識別が実現される。

ABSTRACT

We propose to enhance the kaon identification capabilities of the GlueX detector by constructing an FDIRC (Focusing Detection of Internally Reflected Cherenkov) detector utilizing the decommissioned BaBar DIRC components. The GlueX FDIRC would significantly enhance the GlueX physics program by allowing one to search for and study hybrid mesons decaying into kaon final states. Such systematic studies of kaon final states are essential for inferring the quark flavor content of hybrid and conventional mesons. The GlueX FDIRC would reuse one-third of the synthetic fused silica bars that were utilized in the BaBar DIRC. A new focussing photon camera, read out with large area photodetectors, would be developed. We propose operating the enhanced GlueX detector in Hall D for a total of 220 days at an average intensity of 5x10^7 γ/s, a program that was conditionally approved by PAC39

研究の動機と目的

• PAC39の条件承認で求められる、GlueX実験におけるカイオン識別の向上という重要なニーズに対応すること。
• 隠れストレンジネスおよびオープンストレンジネスを含む、奇妙な最終状態へのメソンおよびバリオンの崩壊を体系的に研究できること。
• 特にExotic量子数を持つハイブリッド中間子の感度を高めるために、カイオンが豊富な最終状態における粒子識別性能を向上させること。
• 廃棄されたBaBar DIRC部品（石英バーとバー筐体の1/3）を再利用することで、コスト効率が高く、技術的に実現可能なアップグレードを達成すること。
• PAC40が推奨するように、カイオン識別能力を10 GeV/cの運動量まで拡張し、ハドロンスペクトルを完全にマップすること。

提案手法

• BaBar DIRCから回収した108本の合成融珪石バーを再利用し、GlueXの幾何学的条件とビーム環境に最適化された新規FDIRC設計に再利用する。
• Cargilleオイルに浸漬されたミラーを用いた焦点化光学系を導入し、バーから発するチェレンコフ光子をフォトンカメラに誘導する。
• 主にLAPPDタイルまたはマルチアンソードPMТ（MaPMT）を用いて、高い空間分解能および時間分解能で光子パターンを読み出す大面積フォトディテクタを採用する。
• ジェファーソンラボのデータ取得システムと互換性を持つ、統合型読み出し回路を備えた新規カメラシステムを設計する。
• 重ね合わせた光子パターンを最小限に抑えるようFDIRCの配置を最適化し、特に前方進行粒子の背景を低減する。
• INFNパドヴァのシミュレーションなど、コンピュータモデルとシミュレーションを用いて光学設計および光子パターン再構築の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BaBar DIRC部品を再利用したFDIRCが、GlueXの物理的目標を満たすのに十分なカイオン識別性能を達成できるか？
• RQ2 FDIRCは、10 GeV/cまでの運動量域において、カイオンとパイオングラムの分離をどの程度向上できるか？
• RQ3 性能、コスト、技術的リスクのバランスを考慮した場合、LAPPDとMaPMTのどちらがGlueX FDIRCに最適なフォトディテクタ技術か？
• RQ4 FDIRCの幾何学的形状を変更することで、元のBaBar設計と比較して光子パターンの重なりをどの程度低減でき、粒子識別効率を向上できるか？
• RQ5 FDIRCは、奇妙な最終状態に崩壊するハイブリッド中間子の発見と詳細な研究を可能にするか？

主な発見

• 概念的設計において、FDIRCがBaBar DIRCの石英バーの1/3と関連するバー筐体を再利用することで、コスト効率の高いアップグレードが可能であることが示された。
• ベンダーの見積もりと工学的推定に基づき、材料費は約83万1000ドル（人件費および間接経費を除く）と予想される。
• LAPPDフォトディテクタの導入コストは26枚のタイルで15万6000ドル、PSEC4読み出し回路で追加18万ドルを見積もるが、代替のMaPMTベースの選択肢もコストが高くなるが利用可能である。
• シミュレーションにより、GlueXに最適化されたFDIRC設計は、元のBaBar設計と比較して光子パターンの重なりが低減され、粒子識別分解能が向上することが示された。
• 遠く離れたバーからの側面反射は最小限であり、性能に影響を及ぼす可能性は低く、コアFDIRC以外の追加装置は不要である。
• FDIRCは、5×10⁷ γ/sのデータ取得速度で200日間運用可能であり、そのうち20日間をコンmissioningに割り当てることで、奇妙な最終状態の包括的かつ詳細な研究が可能になる。