[論文レビュー] Experimental Challenges of the European Strategy for Particle Physics

S. N. White|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、HL-LHC時代における積み重なりの低減を目的として、高レート・高放射線環境下でも20ピコ秒未塔の時間分解能を実現する高精度タイミング検出器の開発に取り組む。Landau/Vavilov信号ゆらぎに起因する約21ピコ秒のタイミングジッターを達成する深ドーピングAPD／マイクロメガストラッカー構造を提示し、ATLASおよびCMS実験におけるタイミングベースのイベント再構築を改善することで、積み重なり効果を低減する実現可能性のある道筋を示している。

ABSTRACT

In planning for the Phase II upgrades of CMS and ATLAS major considerations are: 1)being able to deal with degradation of tracking and calorimetry up to the radiation doses to be expected with an integrated luminosity of 3000 $fb^{-1}$ and 2)maintaining physics performance at a pileup level of ~140. Here I report on work started within the context of the CMS Forward Calorimetry Task Force and continuing in an expanded CERN RD52 R$&$D program integrating timing (i.e. measuring the time-of-arrival of physics objects) as a potential tool for pileup mitigation and ideas for Forward Calorimetry. For the past 4 years our group has focused on precision timing at the level of 10-20 picoseconds in an environment with rates of $~10^6-10^7$ Hz/$cm^2 $ as is appropriate for the future running of the LHC (HL-LHC era). A time resolution of 10-20 picoseconds is one of the few clear criteria for pileup mitigation at the LHC, since the interaction time of a bunch crossing has an rms of 170 picosec. While work on charged particle timing in other contexts (i.e. ALICE R$&$D) is starting to approach this precision, there have been essentially no technologies that can sustain performance at these rates. I will present results on a tracker we developed within the DOE Advanced Detector R$&$D program which is now meeting these requirements. I will also review some results from Calorimeter Projects developed within our group (PHENIX EMCAL and ATLAS ZDC) which achieved calorimeter timing precision< 100 picoseconds.

研究の動機と目的

• インスタントラス・ピルアップレベルが140に達する可能性があるHL-LHCにおけるイベントの積み重なりの課題に対処すること。
• 特に前方陽子残渣の再構築やジェットの誤関連を低減するために、ピルアップ低減のためのタイミングベースのツールを開発すること。
• HL-LHCに典型的な高レート・高放射線環境（10^6–10^7 Hz/cm²）において20ピコ秒未塔の時間分解能を達成すること。
• 信号形成とノイズ抑制に注力し、最小限のタイミングジッターを実現するための検出器設計と電子回路の最適化を行うこと。
• CMSおよびATLASの将来的なアップグレードにタイミング機能を統合すること、特に前方コロイメータおよびトラッキングシステムにおいて。

提案手法

• 60 µmのデプリーション領域を持つ深ドーピングAPDの設計とプロトタイプ作成。ここで、電界が飽和するための最後の40 µmのみが高速信号形成に寄与する。
• 時間ウォークと位置依存タイミングジッターの低減を目的として、マイクロメガスメッシュを外部コンデンサプレートとして使用。
• Ramoの定理を用いて電荷のドリフトと信号誘導をモデル化。電子のドリフト速度は約10 ps/µmで増幅領域へ向かう。
• 40 µmの領域を40層に分割（各層1 µm厚さ）、各層でLandau/Vavilov分布に従うエネルギー損失を仮定して信号形成をシミュレート。
• 一定部分タイミングアルゴリズムを適用し、到着時間の平均を測定し、非ガウス的信号分布に起因するジッターを評価。
• フェムト秒レーザーパルスを用いたビームテストにより、タイミング性能を検証し、プリアンプのインピーダンスマッチング（60 pFの検出器静電容量）を最適化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HL-LHCの放射線およびレート条件下で、シリコン検出器において20ピコ秒未塔の時間分解能を達成できるか？
• RQ2 薄型シリコン検出器における電荷損失のLandau/Vavilovゆらぎが、タイミングジッターに及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 深ドーピングAPDにおける位置依存時間ウォーク低減に、マイクロメガスメッシュを外部コンデンサとして用いる効果はいかほどか？
• RQ4 検出器の厚さと増幅率がタイミングジッターに与える影響は何か？最適なトレードオフをどのように達成できるか？
• RQ5 タイミングベースの再構築により、ヒッグスボソンおよびベクトルボソン融合解析における積み重なり効果を10倍低減できるか？

主な発見

• 深ドーピングAPD／マイクロメガス構造により、タイミングジッターが0.6ナノ秒以上から約21ピコ秒に低減され、主に位置依存時間ウォークの抑制に起因する。
• 40 µm厚のシリコン層におけるLandau/Vavilovゆらぎに起因するジッターは、最小イオン化粒子に対して約21ピコ秒であることが定量的に評価された。
• デプリーション深さを減少させることでジッターが比例的に低下するため、より薄く高利得な設計によりさらなる改善が可能であることが示された。
• リーク電流に起因する信号形成とノイズは、現在の測定で観測される根本的限界以下に抑えられており、さらなる最適化の余地があることが示された。
• SAMPIC、DRS5、HPTDCを用いた改善された電子回路とノイズ抑制を実装したビームテストが進行中であり、20ピコ秒未塔のタイミング分解能の検証が行われている。
• ATLAS ZDCデータからのコロイメータタイミング性能は、将来的なタイミングベースの積み重なり低減戦略への統合に向け、前向きな兆しなど示している。