[論文レビュー] Electron beam studies of light collection in a scintillating counter with embedded fibers

M. Lauß, P. Achenbach+29 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、MAMIで実施した855 MeV電子ビーム実験を用いて、埋め込み波長シフト（WLS）繊維を有するプラスチックシンチレーターの光収率を調査した。1.5-mm径のWLS繊維を用いることで、繊維なしの基準カウンターと比較して光出力が94.2%増加し、ピークの増幅は10 cm以内の横方向距離で発生した。また、全光出力を直接収率と間接収率の和としてモデル化した。

ABSTRACT

The light collection of several fiber configurations embedded in a box-shaped plastic scintillating counter was studied by scanning with minimum ionizing electrons. The light was read out by silicon photomultipliers at both ends. The light yield produced by the 855-MeV beam of the Mainz Microtron showed a strong dependence on the transverse distance from the beam position to the fibers. The observations were modeled by attributing the collection of indirect light inside of the counter and of direct light reaching a fiber to the total light yield. The light collection with fibers was compared to that of a scintillating counter without fibers. These studies were carried out within the development of plastic scintillating detectors as an active veto system for the DarkMESA electron beam-dump experiment that will search for light dark matter particles in the MeV mass range.

研究の動機と目的

• DarkMESA電子ビームダム実験に使用するボックス型プラスチックシンチレーティングカウンターにおける光収率最適化を目的とする。
• さまざまなWLS繊維構成（径、形状、束ね方）の光出力向上性能を評価することを目的とする。
• 光収率の横方向依存性（繊維位置からの相対的依存）を定量化することを目的とする。
• ビーム相互作用点からの距離関数としての光出力を、直接光と間接光の寄与を区別してモデル化することを目的とする。
• MeVスケールのニュートリノ質量ダークマター検出に適したコンactでコスト効率の高い高効率アクティブ遮断系の設計を支援することを目的とする。

提案手法

• 全表面を研磨して全内反射を促進するEJ-200プラスチックを用いて、50 × 25 × 2 cm³のシンチレーティングカウンターを製作した。
• 異なるWLS繊維構成（1-mm丸形、1.5-mm丸形、2-mm角形、4×1-mm丸形束ね）を溝に埋め込み、光学セメントで密封した。
• 両端に4個ずつの6×6 mm² SiPMを設置し、個別のプリアンプ、演算アンプ、DACを用いてバイアス電圧制御を実施した。
• 最小イオン化エネルギーを持つ855-MeV電子ビームを用いて、マインツマイクロトロン（MAMI）で実験を実施した。
• 基準カウンター（繊維なし）を用いたキャリブレーションを行い、光出力を1 MeVあたりの光電子（p.e.）応答として測定した。
• 2成分モデルを適用し、繊維に直接到達する光と、シンチレーター内での全内反射により収率される間接光の寄与を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビーム相互作用点と埋め込みWLS繊維との横方向距離が、シンチレーティングカウンター内の光出力にどのように影響するか？
• RQ2 全光出力に寄与する直接光（繊維に到達する光）と、内部反射により収率される間接光の相対的寄与はそれぞれどの程度か？
• RQ3 2-cm厚のシンチレーターにおいて、どのWLS繊維構成（径、形状、束ね方）が光収率効率を最大にするか？
• RQ4 繊維なし基準カウンターと比較して、異なる繊維構成での光出力はどのように変化するか？
• RQ5 相互作用点の位置が、繊維読み出しシンチレーターの信号応答にどの程度影響を及ぼすか？

主な発見

• 1.5-mm丸形WLS繊維を用いることで、繊維なし基準カウンターと比較して光出力が94.2%増加し、その内訳は直接光による50.3%増加と、間接光による43.9%増加であった。
• 光出力の増幅は横方向距離に強く依存しており、繊維から±10 cm以内にピークが現れ、相互作用が繊維に近接する場合に最適な性能を示した。
• 1-mm丸形繊維では基準カウンター比6.2%増加にとどまり、4×1-mm束ねでは49.9%増加にとどまった。これは、より小さな径や束ねた繊維では利得の飽和が顕著に現れることを示唆している。
• 全光出力を直接光と間接光の和としてモデル化した手法は、データに良好に適合し、赤き二乗値（ reduced chi-squared ）は1.2～3.1の範囲に収まった。
• 信号応答の横位置依存性は均一性の課題を引き起こすが、マルチ-SiPM読み出しと組み合わせることで、位置分解能の向上が可能になる可能性がある。
• 本結果は、MeVスケールのダークマター実験用遮断カウンターにおいて、相互作用領域から10 cm以内にWLS繊維を配置することで、光収率効率を最大化できると支持する。