[論文レビュー] Development of a novel compact and fast SiPM-based RICH detector for the future ALICE 3 PID system at LHC

M. N. Mazziotta, A. R. Altamura+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2026

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用数 0

ひとこと要約

この論文は、2 cmのエアロゲルラジエータとSiPMに接着された薄いウィンドウ放射材（MgF2またはSiO2）を備えたコンパクトなSiPMベースの proximity-focusing RICHプロトタイプを報告しており、単一光子の角度分解能は約4 mrad、M0とM1間の相対時間分解能は約75 ps、ALICE3様のPID要件に対してほぼ100%の粒子検出効率を実現することを示す。

ABSTRACT

A dedicated R\&D is ongoing for the charged particle identification system of the \mbox{ALICE 3} experiment proposed for the LHC Run 5 and beyond. One of the subsystems for the high-energy charged particle identification will be a Ring-Imaging Cherenkov (RICH) detector. The possibility of integrating Cherenkov-based charged particle timing measurements is currently under study. The proposed system is based on a proximity-focusing RICH configuration including an aerogel radiator separated from a SiPM array layer by an expansion gap. A thin high-refractive index window of transparent material, acting as a second Cherenkov radiator, is glued on the SiPM array to enable time-of-flight measurements of charged particles by exploiting the yield of Cherenkov photons in the thin window. We assembled a small-scale prototype instrumented with different Hamamatsu SiPM array sensors with pitches ranging from 1 to 3 mm, readout by custom boards equipped with the front-end Petiroc 2A ASICs to measure charges and times. The primary Cherenkov radiator consisted of a 2 cm thick aerogel tile, while various window materials, including SiO$_2$ and MgF$_2$, were used as secondary Cherenkov radiators. The prototype was successfully tested in a campaign at the CERN PS T10 beam line with pions and protons. This paper summarizes the results achieved in the 2023 test beam campaign.

研究の動機と目的

• ALICE 3向けに統合されたチェレンコフ時刻測定を備えたコンパクトで高速なRICH検出器の設計を進める。
• エアロゲルラジエータ、SiPMリングアレイ、薄い高指数窓を第二の放射材として組み合わせた proximity-focusing RICH 構成を評価する。
• SiPMセンサとPetiroc 2Aフロントエンド読み出しを用いて粒子タイミング機能と高いチェレンコフ角分解能を実証する。
• ALICE 3 RICH要件に対する検出性能を評価し、将来の高エネルギー物理学および宇宙アプリケーションへの適合性を検討する。

提案手法

• 2 cm厚のエアロゲルラジエータ（n = 1.03 at 400 nm）と円周状に配置したSiPMリングアレイレイアウトを用いた小型プロトタイプを組み立てる。
• 1 mm厚の二次放射材（MgF2またはSiO2）を直接SiPMに結合して、タイミング測定用の第二のチェレンコフ放射材を作る。
• Petiroc 2A ASICs（32チャネル、37 ps LSB TDC、10ビットADC）を用いたカスタムフロントエンドボードでSiPMチャネルをマスタ・スレーブ構成で読み出す。
• フォトン検出に適した過電圧でアレイを動作させつつ、雑音および湿度を抑制するために検出体積を冷却・フラッシュする。
• 各チャネルのタイミングを較正し、タイムウォーク補正を適用し、屈折率の法則 Snell の法則を用いて媒体間のチェレンコフ光線の方向を逆伝搬させて角度を再構成する。

Figure 1: Beam test set-up at CERN PS T10 line on Oct, 2023. The beam enters from the right side. The black boxes upstream and downstream the set-up include thin plastic scintillator tiles and two X-Y fiber tracker modules (T0 and T1) Mazziotta et al. ( 2022 ) .

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エアロゲルラジエータ系において、SiPMベースのRICH構成はALICE 3要件（単一光子あたり約4 mrad未満のチェレンコフ角度分解能）と競合することができるか。
• RQ2 SiPMに直接結合された薄い高指数窓の放射層を追加することで、効率と時間分解能が現実的な粒子タイミングを提供するか。
• RQ3 MgF2またはSiO2の窓放射材をSiPMベースのRICH読み出しと組み合わせた場合に得られる粒子検出効率と時間分解能はどの程度か。
• RQ4 現実的な光電子収量で、チャネルごと約50 psレベルの時間分解とM0とM1間約75 psを達成できるか。

主な発見

• 単一光子のチェレンコフ角分解能が4 mradより良好であることが、パイオンおよび陽子で測定された。
• M1とM0チャネル間の相対時間分解能は約75 psに達し、電子機器とSiPMの寄与を含めると単一のSiPMチャネルあたり約50 ps程度に相当する。
• SiPMアレイに1 mm MgF2またはSiO2の窓放射材を接着したとき、十分な光電子数（例：M0とM1の両方で>15 PEs）を確保でき、粒子検出効率はほぼ100%に近づく。
• M0/M1タイミングの相対タイムウォーク補正によりタイミング性能が向上し、堅牢なTOF様測定が可能となった。
• CERN-PS T10でのビーム試験（8 GeV/c陽子ビーム（パイオン/陽子）および10 GeV/c陰子ビーム、2023年10月）により、ALICE 3向けの提案SiPMベースRICH概念の実現可能性を示した。
• 結果はALICE 3 RICH要件と適合するものであり、将来の他のHEP実験および宇宙機上検出器への適用可能性を示唆している。

Figure 2: CAD view of the RICH cylinder with the central upstream SiPM array M0, the aerogel tile, the SiPM linear ring arrays and the central downstream SiPM array M1.