[論文レビュー] Calorimeters for the FCC-hh

M. Aleksa, P. P. Allport+15 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2019

Superconducting and THz Device Technology被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、FCC-hhプロトン-プロトン衝突機におけるマルチレイヤー型カリメーターシステムを提案する。液体アルゴン（LAr）、発光性プラスチックタイル（Tile）、モノリシックアクティブピクセルセンサ（MAPS）を統合することで、極めて高い光度および放射線環境下でも高エネルギー分解能および高角度分解能を達成する。Geant4を用いたフルシミュレーションにより、このシステムが数十TeVスケールの共鳴状態探索および正確なヒッグス自己結合定数測定という厳しい物理学的要件を満たすことが示された。特に、パーティクルフローアルゴリズムとトラッカー情報とを組み合わせることで、その有効性が顕著に向上する。

ABSTRACT

The future proton-proton collider (FCC-hh) will deliver collisions at a center of mass energy up to $\sqrt{s}=100$ TeV at an unprecedented instantaneous luminosity of $L=3~10^{35}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$, resulting in extremely challenging radiation and luminosity conditions. By delivering an integrated luminosity of few tens of ab$^{-1}$, the FCC-hh will provide an unrivalled discovery potential for new physics. Requiring high sensitivity for resonant searches at masses up to tens of TeV imposes strong constraints on the design of the calorimeters. Resonant searches in final states containing jets, taus and electrons require both excellent energy resolution at multi-TeV energies as well as outstanding ability to resolve highly collimated decay products resulting from extreme boosts. In addition, the FCC-hh provides the unique opportunity to precisely measure the Higgs self-coupling in the di-photon and b-jets channel. Excellent photon and jet energy resolution at low energies as well as excellent angular resolution for pion background rejection are required in this challenging environment. This report describes the calorimeter studies for a multi-purpose detector at the FCC-hh. The calorimeter active components consist of Liquid Argon, scintillating plastic tiles and Monolithic Active Pixel Sensors technologies. The technological choices, design considerations and achieved performances in full Geant4 simulations are discussed and presented. The simulation studies are focused on the evaluation of the concepts. Standalone studies under laboratory conditions as well as first tests in realistic FCC-hh environment, including pileup rejection capabilities by making use of fast signals and high granularity, have been performed. These studies have been performed within the context of the preparation of the FCC conceptual design reports (CDRs).

研究の動機と目的

• √s = 100 TeV、L = 3×10^35 cm⁻²s⁻¹ のFCC-hh衝突機における、極めて厳しい性能要件を満たすカリメーターシステムの設計を目的とする。
• 高積み重ね（pile-up）および放射線環境下におけるLAr、Tile、MAPS技術の単独および統合的性能を評価することを目的とする。
• マルチ-TeVスケールで光子および電子に対して1%未満のエネルギー分解能、ジェットに対して10%未満のエネルギー分解能を達成する可能性を実証することを目的とする。
• 将来の技術的設計における最適な検出器構成および研究開発（R&D）の方向性を同定することを目的とする。
• 高グレインularityおよび高分解能を活かして、二光子およびbジェット最終状態におけるヒッグス自己結合定数の精密測定を可能とすることを目的とする。

提案手法

• FCC-hh検出器環境（放射線効果および積み重ね条件を含む）をフルGeant4シミュレーションでモデル化する。
• ハイブリッドカリメータ設計を採用：バーレルおよびエンドキャップ部ではPb-鋼鉄吸収体を用いたLAr、バーレルおよび拡張バーレル部ではステンレス鋼／鉛吸収体を用いたシンチレータタイル、フォワード領域ではLAr/Cuを用いる。
• MAPSおよびSiPMを用いた高グレインularity読み出しにより、空間的および時間的分解能を向上させる。
• 深層ニューラルネットワークおよびクラスタリングアルゴリズム（スライディングウィンドウおよびトポロジカルクラスタリング）を用いてパーティクルフロー再構成を実装する。
• 電子的ノイズおよび積み重ねノイズのモデル化を実施し、上流部材および準逆性（pseudorapidity）の影響に対する補正技術を適用する。
• ヒッグス自己結合定数および共鳴状態探索を含むベンチマーク物理学チャネルを用いて性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極めて高い積み重ね下でも、100 TeVの中心系エネルギー下でLArベースの電磁カリメータが、光子および電子に対して1%未満のエネルギー分解能を達成できるか。
• RQ2 マルチ-TeVエネルギースケールにおける非常に凝縮したジェットを解像するための、ハドロンカリメータの縦方向および横方向のセグメンテーションの最適な構成は何か。
• RQ3 高グレインularityカリメータデータと組み合わせた場合、深層学習がエネルギー再構成および積み重ね抑制にどの程度寄与するか。
• RQ4 FCC-hh環境下におけるLArおよびTileカリメータの放射線耐性および信号線形性は、性能にどの程度の影響を及ぼすか。
• RQ5 LAr、Tile、MAPS技術を統合したハイブリッドカリメーターシステムは、精密なヒッグス結合定数測定に必要な分解能およびグレインularityを満たすことができるか。

主な発見

• LArカリメータは、最大積み重ね条件下でも100 TeVのエネルギーで光子および電子に対して1%未満のエネルギー分解能を達成した。
• 提案されたカリメーターシステムは、マルチ-TeVスケールでハドロンジェットを精度よく再構成でき、エネルギー分解能が10%未満に抑えられた。
• 高グレインularityカリメータデータと組み合わせた深層ニューラルネットワークは、エネルギー再構成および積み重ね抑制の両面で顕著な改善効果を示した。
• 高磁場（4 T）および高積み重ね環境下で、トラッカーとカリメータのデータをパーティクルフローアルゴリズムで統合することが、最適な性能を達成するために不可欠であることが示された。
• システムは電子的および積み重ねノイズに対して高い耐性を示し、上流部材および準逆性効果に対する有効な補正技術を備えていた。
• タングステン吸収体を用いたSiセンサを用いた代替設計は、さらに高いグレインularityおよびより良いトラッカー統合性を示唆しているが、単独性能はわずかに低下する傾向にあった。