[論文レビュー] First Demonstration of a Pixelated Charge Readout for Single-Phase Liquid Argon Time Projection Chambers

J. Asaadi, M. Auger+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 15被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、単相液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバ（LArTPC）における画素化電荷読み出しの概念実証を初めて報告し、主成分分析とカルマンフィルタを用いて信号の曖昧性を解消することで、直接的な3次元追跡を達成した。システムは約14の信号対雑音比（SNR）を達成し、宇宙線ミューオンの軌跡を正常に再構成した。これは、DUNEニア・ディテクタのような高多重度環境における曇りのない3次元再構成への道筋を示している。

ABSTRACT

Liquid Argon Time Projection Chambers (LArTPCs) have been selected for the future long-baseline Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). To allow LArTPCs to operate in the high-multiplicity near detector environment of DUNE, a new charge readout technology is required. Traditional charge readout technologies introduce intrinsic ambiguities, combined with a slow detector response, these ambiguities have limited the performance of LArTPCs, until now. Here, we present a novel pixelated charge readout that enables the full 3D tracking capabilities of LArTPCs. We characterise the signal to noise ratio of charge readout chain, to be about 14, and demonstrate track reconstruction on 3D space points produced by the pixel readout. This pixelated charge readout makes LArTPCs a viable option for the DUNE near detector complex.

研究の動機と目的

• 従来のワイヤー基盤の電荷読み出しに内在する曇りと、高多重度環境における遅い応答というLArTPCの限界を解消すること。
• 画素化電荷読み出しにより、イオン化信号から空間点を直接取得することで、完全な3次元イベント再構成が可能であることを実証すること。
• 液体アルゴンの低温環境下における画素読み出しチェーンの信号対雑音比（SNR）を特徴づけること。
• 既存のワイヤー読み出し電子回路を用いたアナログ多重化が、将来的な完全デジタル化された画素読み出しシステムの概念実証としての妥当性を検証すること。
• 多重化の曇りを排除するための特注で低雑音かつ低温対応の画素読み出し電子回路を開発する基盤を築くこと。

提案手法

• 電荷収集のため、1008画素（ピッチ2.54 mm、900 µmのビア）を有する8層のプリント回路基板（PCB）プロトタイプを製作した。
• イオン化電子を画素化アノードに誘導するために、28領域に分割された誘導的フォーカスグリッドを用いた。
• 信号読み出しには、既存の低温ワイヤー読み出し電子回路を採用し、アナログ多重化を実施。画素とグリッドを10 nFコンデンサと10 MΩ抵抗、RCフィルタを介してプリアンプに接続した。
• 電荷信号は2段階の再構成処理を経て処理された。まず、ヒットクラウドの主要固有ベクトルに最も近い解を選択することで、主成分分析が多重化の曇りを解消した。
• 次に、イオン化損失と複数散乱の補正を組み込んだカルマンフィルタを適用し、初期運動量260 MeVの最小イオン化ミューオンを仮定して粒子軌跡をフィッティングした。
• 再構成パイプラインは、ドリフト方向が右から左、パルス形状が信号幅で符号化された宇宙線ミューオンイベントでテストされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アナログ多重化による信号の曇りを解消することで、単相LArTPCにおける画素化電荷読み出しは、直接的な3次元追跡を達成できるか？
• RQ2 アナログ多重化を用いた低温環境下の画素化電荷読み出しチェーンで達成可能な信号対雑音比（SNR）はどの程度か？
• RQ3 主成分分析は、LArTPCイベントの3次元空間点再構成において、多重化の曇りを効果的に解消できるか？
• RQ4 カルマンフィルタは、曇りがありSNRが低い画素データから液体アルゴン内での粒子軌跡をどの程度正確に再構成できるか？
• RQ5 既存のワイヤー電子回路を用いたアナログ多重化は、高多重度環境下における画素読み出しシステムの性能をどの程度制限するか？

主な発見

• 画素化電荷読み出しシステムは、液体アルゴン内での3次元追跡に十分な感度を示し、約14の信号対雑音比（SNR）を達成した。
• 主成分分析により多重化の曇りが正常に解消され、緑色のヒット（妥当解）を受容し、濃い赤色の曇りのある解（不適切解）を除外したが、少数の外れ値を除き、ほとんどが正常に処理された。
• カルマンフィルタは、受容されたヒットから連続的な粒子軌跡を再構成でき、イオン化損失と複数散乱の効果を組み込むことができた。
• 宇宙線ミューオンの再構成軌跡は、期待される経路と良好に一致したが、分解能の制限とチューニングの問題により、運動量推定値は初期推定値260 MeVのままだった。
• 本研究により、アナログ多重化が再構成の複雑さを著しく増大させることを確認した。これにより、曇りのない完全デジタル化された低温対応の画素読み出し電子回路の開発の必要性が浮き彫りになった。
• 本研究は、DUNEニア・ディテクタの複雑な環境のような高レート環境への応用を想定した、LArTPCにおける完全な3次元追跡の重要な概念実証を確立した。