[論文レビュー] Design, Construction and Commissioning of a Technological Prototype of a Highly Granular SiPM-on-tile Scintillator-Steel Hadronic Calorimeter

CALICE Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、鉄吸収体に埋め込まれたSiPM読み出しスチラーティングタイルを用いた高密度アナログハドロンカルオリメータ（AHCAL）の技術的プロトタイプの設計、製作、およびビームテストでの起動を提示している。38層にのぼる3×3 cm²タイルと約22,000の読み出しチャンネルを備えたこのプロトタイプは、1ナノ秒未塔の時間分解能を達成し、優れたエネルギー分解能、均一性、安定性を示し、将来のコライダー検出器における粒子フロー法を用いたスケーラビリティを裏付けた。

ABSTRACT

The CALICE collaboration is developing highly granular electromagnetic and hadronic calorimeters for detectors at future energy frontier electron-positron colliders. After successful tests of a physics prototype, a technological prototype of the Analog Hadron Calorimeter has been built, based on a design and construction techniques scalable to a collider detector. The prototype consists of a steel absorber structure and active layers of small scintillator tiles that are individually read out by directly coupled SiPMs. Each layer has an active area of $72 imes 72\,{ m cm}^{2}$ and a tile size of $3 imes 3\,{ m cm}^{2}$. With $38$ active layers, the prototype has nearly $22,000$ readout channels, and its total thickness amounts to $4.4$ nuclear interaction lengths. The dedicated readout electronics provide time stamping of each hit with an expected resolution of about $1\,{ m ns}$. The prototype was constructed in 2017 and commissioned in beam tests at DESY. It recorded muons, hadron showers and electron showers at different energies in test beams at CERN in 2018. In this paper, the design of the prototype, its construction and commissioning are described. The methods used to calibrate the detector are detailed, and the performance achieved in terms of uniformity and stability is presented.

研究の動機と目的

• 将来の電子-陽電子コライダーに適した、スケーラブルで技術的に実現可能な高密度ハドロンカルオリメータの設計を開発すること。
• 高密度とコンactな統合を実現するため、スチラーティングタイルに直接SiPMを接続する手法の実現可能性を示すこと。
• 22,000チャンネルにわたるキャリブレーション手順と検出器性能の妥当性をビームテストで検証すること。
• 詳細なシャワー発展研究のため、1ナノ秒未塔の時間分解能を達成すること。
• 粒子フロー法の応用に適した長期的安定性と応答の均一性を確保すること。

提案手法

• AHCALプロトタイプは、38層の72×72 cm²の有効面積を持ち、それぞれが3×3 cm²のスチラーティングタイルで構成され、直接接続されたSiPMで読み出される。
• SPIROC2E ASICに基づく前段階電子回路が、約1ナノ秒の時間分解能を持つタイムスタンプ読み出しを提供する。
• 専用のLEDキャリブレーションシステムにより、全チャンネルにわたりゲインおよび時間のキャリブレーションが可能である。
• アクティブ層、電圧制御、温度補償を備えた鉄吸収体構造を有し、安定性を確保する。
• CERNおよびDESYでの宇宙線およびビームテストを通じて、プロトタイプの起動と性能検証が行われた。
• オンラインソフトウェアおよびデータ取得システムが、データフロー、トリガー、リアルタイム監視を管理する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コライダー検出器に適したスケールで、SiPMオンタイル読み出しを備えた高密度スチラーティングカルオリメータを構築できるか？
• RQ2 スチラーティングタイルに直接SiPMを接続することで、粒子フロー再構築に必要な十分な均一性と安定性が得られるか？
• RQ3 22,000チャンネルにわたるキャリブレーション手順が、一貫したゲインおよび時間分解能を実現するために効果的に適用可能か？
• RQ4 プロトタイプの時間分解能およびエネルギー分解能は、ミューオン、電子、ハドロンビームテストでどの程度の性能を示すか？
• RQ5 プロトタイプの応答は深さおよび粒子種別によってどのように変化するか？また、電子とパイオンドのシャワーを区別できるか？

主な発見

• 22,000チャンネルすべてにおいて優れた応答の均一性が達成され、ノイズは低く、時間経過に伴うゲイン安定性も良好であった。
• ヒットタイムスタンピングの時間分解能は1ナノ秒未塔であり、シャワー発展の詳細な時間的解析が可能であった。
• MIPキャリブレーションでは、有効面積全体で一貫した応答が得られ、単一MIPの分解能は約1.5%であった。
• イベントディスプレイでは、電子とパイオンのシャワーが明確に区別されており、電子は狭く浅いシャワー、パイオンは深く広がったシャワーを示した。
• CERNでの長時間にわたるミューオン、電子、パイオン（50–80 GeV）ビームテストにおいて、検出器は信頼性の高い動作と安定した性能を示した。
• LEDベースのキャリブレーションシステムにより、全プロトタイプにわたるチャンネル間のゲインキャリブレーションおよび時間同期が効果的に実施された。