[論文レビュー] Detector challenges of the strong-field QED experiment LUXE at the European XFEL

O. Borysov|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle Detector Development and Performance被引用数 1

ひとこと要約

LUXE実験は、ヨーロッパXFELで16.5 GeVの電子ビームと高パワーのレーザー（最大350 TW）を衝突させ、強磁場量子電磁力学を調べることを目的としている。非線形コンプトン散乱および電子・陽電子対生成過程を測定する。高放射線環境下でも高レートで粒子を検出可能であり、バックグラウンド除去が可能な高度な検出器（シンチレーションスクリーン、チェレンコフカウンター、シリコンピクセルトラッカー、 lead-glass カロリメータ）を用い、電子、光子、陽電子のエネルギースペクトルを1束束あたり10⁹回のレートで高精度に測定する。

ABSTRACT

The LUXE experiment aims at studying high-field QED in electron-laser and photon-laser interactions, with the 16.5 GeV electron beam of the European XFEL and a laser beam with power of up to 350 TW. The experiment will measure the spectra of electrons and photons in non-linear Compton scattering where production rates in excess of 10$^9$ are expected per 1 Hz bunch crossing. At the same time positrons from pair creation in either the two-step trident process or the Breit-Wheeler process will be measured, where the expected rates range from 10$^{−3}$ to 10$^3$ per bunch crossing, depending on the laser power and focus. These measurements have to be performed in the presence of low-energy high radiation-background. To meet these challenges, for high-rate electron and photon fluxes, the experiment will use Cherenkov radiation detectors, scintillator screens, sapphire sensors as well as lead-glass monitors for backscattering off the beam-dump. A four-layer silicon-pixel tracker and a compact electromagnetic tungsten calorimeter with GaAs sensors will be used to measure the positron spectra. The layout of the experiment and the expectedperformance under the harsh radiation conditions will be presented.

研究の動機と目的

• ヨーロッパXFELの16.5 GeV電子ビームとマルチテラワットレーザーを用いて、強電磁場下での非線形コンプトン散乱およびレーザー補助対生成を研究すること。
• 非線形コンプトン散乱に起因する電子および光子スペクトルを測定し、1束束あたり10⁹回を超える予想されるレートを達成すること。
• 2段階のトリデントおよびブライト＝ウーレン対生成過程に起因する陽電子を検出すること。レーザー強度に応じて1束束あたり10⁻³～10³回のレートを想定すること。
• 極端な放射線バックグラウンドと高粒子フラックスに耐える検出器システムの開発と検証を行うこと。
• 高バックグラウンド環境下でも希少な陽電子信号を高効率で検出し、バックグラウンドを効果的に排除すること。

提案手法

• ヨーロッパXFELの16.5 GeV電子ビームを高パワーのレーザー（最大350 TW）と衝突させ、非線形QED過程を調べる。
• CMOSカメラを搭載したシンチレーションスクリーンを用い、電子および光子シャワーの高解像度イメージングを実現。1mm未満の位置分解能を達成し、10 MGyまでの放射線耐性を有する。
• 電子スぺクトロメータに高セグメンテーションのガスチェレンコフ検出器を設置し、バックグラウンド除去と併せて電子スペクトルの補完的測定を実施。
• ALPIDEセンサを用いた4層構造のシリコンピクセルトラッカーを採用。100%の検出効率と1%未満のエネルギー分解能を実現し、陽電子の追跡を可能にする。
• ガルニウム砒素（GaAs）センサを内蔵した超コンactな電磁エネルギーWタングステンカロリメータを導入。陽電子エネルギー測定と低エネルギー荷電粒子の除外を実現。
• サファイアストリップセンサ（5 µm分解能）と lead-glass モニタを用い、横方向の光子プロファイル測定およびバックワードビームダンプ粒子のエネルギー測定を実施。エネルギー測定精度は5–10%を達成。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 16.5 GeVの電子が高強度レーザー場と衝突する際、非線形コンプトン散乱の測定可能なスペクトルおよびレートはどのように変化するか？
• RQ2 高放射線環境下でも、非線形ブライト＝ウーレンおよびトリデント過程に起因する陽電子生成を高効率かつ低バックグラウンドで検出する方法は何か？
• RQ3 極端な放射線レベルに耐えながら、高空間分解能および高エネルギー分解能を維持できる検出器技術は何か？
• RQ4 非線形コンプトン、ブレムstrahlung、および逆コンプトン散乱といった異なる光子源が、得られる陽電子スペクトルおよび検出効率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 シンチレーションスクリーン、チェレンコフカウンター、ピクセルトラッカーといった検出器サブシステムは、必要なバックグラウンド除去および信号忠実度をどの程度達成できるか？

主な発見

• レーザー強度パラメータξが0.01から2に上昇するに従い、非線形コンプトン散乱のレートは4桁以上増加し、高ξ値では明確な運動的端末（kinematic edges）が現れる。
• ξが0.01～0.5の範囲では、光子スペクトルに明確な第1および第2の運動的端末が観測され、これは1光子および2光子相互作用に対応し、レーザー強度の上昇に伴いエネルギーが低下する。
• e-レーザーモードにおける陽電子エネルギースペクトルは0.1 GeV～10 GeVの範囲をカバーし、レーザー出力および焦点条件に応じて1束束あたり10⁻³～10³の予想レートが得られる。
• GEANT4シミュレーションにおいて、4層構造のシリコンピクセルトラッカーはほぼ100%の検出効率と1%未満のエネルギー分解能を達成しており、正確な陽電子運動量再構築が可能である。
• サファイアストリップセンサは約5 µmの横方向位置分解能を有し、実験中における連続運用に耐える十分な放射線耐性を備えている。
• lead-glassモニタにおけるバックストリクト粒子のエネルギー損失は、入射光子数にほぼ比例しており、5–10%の精度で光子ビーム強度を測定可能である。