[論文レビュー] Electromagnetic Calorimeter for HADES

Wojciech Czyżycki, E. Epple+18 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2011

Particle Detector Development and Performance参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、8–40 AGeVの重イオンおよび陽子-陽子衝突における中性π中間子およびエータ中間子の生成断面積を測定するために、OPAL検出器のPbガラスモジュールを再利用した電磁遮蔽器を提案する。この遮蔽器はエネルギー分解能が約6%/√Eに達し、500 MeV/c以上のエネルギーで80%を超えるレプトン純度を実現するため、二レプトン分析および密度の高い核物質における奇素粒子分光学の向上が図られる。

ABSTRACT

We propose to build the Electromagnetic calorimeter for the HADES di-lepton spectrometer. It will enable to measure the data on neutral meson production from nucleus-nucleus collisions, which are essential for interpretation of dilepton data, but are unknown in the energy range of planned experiments (2-10 GeV per nucleon). The calorimeter will improve the electron-hadron separation, and will be used for detection of photons from strange resonances in elementary and HI reactions. Detailed description of the detector layout, the support structure, the electronic readout and its performance studied via Monte Carlo simulations and series of dedicated test experiments is presented. The device will cover the total area of about 8 m^2 at polar angles between 12 and 45 degrees with almost full azimuthal coverage. The photon and electron energy resolution achieved in test experiments amounts to 5-6%/sqrt(E[GeV]) which is sufficient for the eta meson reconstruction with S/B ratio of 0.4% in Ni+Ni collisions at 8 AGeV. A purity of the identified leptons after the hadron rejection, resulting from simulations based on the test measurements, is better than 80% at momenta above 500 MeV/c, where time-of-flight cannot be used.

研究の動機と目的

• 8–40 AGeVのエネルギー範囲におけるπ⁰およびη中間子の包括的断面積を測定すること。このエネルギー範囲には、現在、実験的データが存在しない。
• 時間飛行検出器が効果を発揮しない高運動量領域（p > 400 MeV/c）における電子-ハドロン分離を改善すること。
• π⁰断面積による正確な正規化とη中間子の再構築によるバックグラウンド抑制を通じて、二レプトンスペクトルの解釈を支援すること。
• 陽子-陽子反応および重イオン反応における中性共鳴状態（例：Λ(1405)およびΣ(1385)）の分光学的測定を可能にする光子検出を実現すること。
• HADESのプレシュアーディテクタを、12°–45°の半球角範囲をカバーする高性能でモジュラー構造のPbガラス電磁遮蔽器に置き換えること。

提案手法

• 遮蔽器は、OPAL実験の978個のPbガラスモジュールを用い、6つの台形セクタに配置することで8 m²の面積をカバーし、ほぼ完全な方位角カバーを実現する。
• 機械的サポートは、ステンレス鋼製の分解式容器構造を鋼鉄製ラーメンに設置し、直線軸受を備えた移動式プラットフォームにより、モジュールの正確な位置決めを実現する。
• 電子回路は、時間超過閾値および時間飛行測定を組み合わせた高速読み出しチェーンを採用し、エネルギーおよび時間分解能を達成する。
• エネルギー分解能は、MAMIおよびCERNでの電子ビームを用いて校正され、1 GeVにおける電子で6.9%の分解能を達成した。
• 粒子識別（e⁻ 対 π⁻）は、パルス波形およびエネルギー応答の差異を用い、CERNおよびMAMIでのビームテストにより検証された。
• HGeantを用いたモンテカルロシミュレーションでは、チェレンコフ光子の追跡、占有率、二光子スペクトル、およびπ⁰/η再構築効率を模擬した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再利用されたOPALモジュールを用いたPbガラス電磁遮蔽器は、8 AGeVのNi+Ni衝突におけるη中間子再構築に十分なエネルギー分解能を達成できるか？
• RQ2 時間飛行が効果を発揮しない500 MeV/c以上の運動量領域において、遮蔽器は電子-パイオン分離をどの程度向上できるか？
• RQ3 測定されたエネルギー分解能および粒子識別性能を用いた場合、η中間子再構築における信号対バックグラウンド比はどの程度達成可能か？
• RQ4 遮蔽器は、二光子スペクトルの再構築および共鳴状態崩壊からの光子識別において、どの程度の性能を示すか？
• RQ5 機械的設計は、高エネルギー物理学環境下での設置および運用中に、安定的かつ正確なモジュール位置決めを可能にするか？

主な発見

• Pbガラスモジュールのエネルギー分解能は、1 GeVにおける電子で約6.9%に測定され、目標の約6%/√Eと一致しており、中間子再構築に十分な性能を有していることが示された。
• 電子/パイオン分離要因は予想を上回り、シミュレーションにより500 MeV/c以上の運動量領域で80%を超えるレプトン純度が達成された。この領域では時間飛行が効果を発揮しない。
• Pbガラスモジュールの時間分解能は215 ps（標準偏差）に測定され、効果的な中性子拒否とバックグラウンド抑制の向上が可能となった。
• CERNでのビームテスト結果では、電子とパイオンの応答が明確に分離されており、電子ピークがパイオンバックグラウンドから良好に分離された。
• Ni+Ni衝突におけるη中間子再構築の信号対バックグラウンド比は約0.4%に達し、正確な二レプトン分析に必要な要件を満たした。
• 機械的設計は、モジュラーかつ分解可能な構造を実現し、直線軸受を備えた移動式プラットフォームにより、設置およびデータ取得中の安定的かつ正確なモジュール位置決めを可能にした。