[論文レビュー] First performance studies of a prototype for the CASTOR forward calorimeter at the CMS experiment

X. Aslanoglou, A. Cyz+7 more|ArXiv.org|Jun 17, 2007

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、LHCのCMS実験におけるCASTOR前方カリメーターのプロトタイプの性能評価を、CERN/SPSでの電子ビーム実験を用いて初めて行い、石英-タングステンサンプリングカリメーター部品の異なる構成を評価した。主な発見は、80 GeVで約2%のエネルギー分解能を達成する一方で、光出力が高く、同等の有効厚さの石英繊維と比較して10–15%高い光出力を示す石英板が優れた性能を示し、ガラス反射板はアルミホイル反射板よりも優れた性能を示す。これらの結果は、最終的な検出器設計において石英板とAPDsが有望な選択肢であることを支持する。

ABSTRACT

We present results on the performance of the first prototype of the CASTOR quartz-tungsten sampling calorimeter, to be installed in the very forward region of the CMS experiment at the LHC. This study includes GEANT Monte Carlo simulations of the Cherenkov light transmission efficiency of different types of air-core light guides, as well as analysis of the calorimeter linearity and resolution as a function of energy and impact-point, obtained with 20-200 GeV electron beams from CERN/SPS tests in 2003. Several configurations of the calorimeter have been tested and compared, including different combinations of (i) structures for the active material of the calorimeter (quartz plates and fibres), (ii) various light-guide reflecting materials (glass and foil reflectors) and (iii) photodetector devices (photomultipliers and avalanche photodiodes).

研究の動機と目的

• LHCのCMS実験におけるCASTOR前方カリメーターのプロトタイプの異なる構成の性能を評価すること。
• カリメーターの活性材料としての石英板と石英繊維の光出力、エネルギー分解能、線形性を比較すること。
• 光ガイドの反射板タイプ（ガラス対アルミホイル）および光検出器デバイス（PMT対APD）がカリメーター応答に与える影響を評価すること。
• 非常に前方領域（5.2 < η < 6.6）で高い分解能と均一性を達成するための最適な検出器幾何形状および部品選定を特定すること。
• ビームテスト結果およびGEANT4シミュレーションに基づき、CASTORカリメーターの最終設計の基盤を提供すること。

提案手法

• 20–200 GeVの電子ビームを用いたCERN SPSでのビームテストを実施し、複数の構成を有するプロトタイプカリメーターを評価した。
• GEANT4モンテカルロシミュレーションを用いて、さまざまな空芯光ガイド幾何形状および反射板タイプにおけるチェレンコフ光の透過効率をモデル化した。
• 4つのオクタント読み出しユニットを用い、以下の異なる組み合わせをテストした：(1) 石英板または繊維を活性材料として使用、(2) 光ガイドにガラス反射板またはアルミホイル反射板を装着、(3) フォトディテクタとして浜松PMTまたはアバランチフォトダイオード（APD）を用いた。
• ビームエネルギーおよび異なるセクタ（S1, J1, J2）におけるインパルス位置に応じたカリメーターの線形性、エネルギー分解能、応答均一性を測定した。
• カリメーター中心からの半径方向距離に伴う応答依存性を分析し、隣接セクタ間のクロストークおよび漏れを評価した。
• 効率性と均一性を最大化するために、3つのパrameter（繊維のNA、光ガイド長（lg）、モード数（lm））を用いて光ガイド設計を最適化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 活性材料の選択（石英板対繊維）が、CASTORプロトタイプにおける光出力およびエネルギー分解能に与える影響は何か？
• RQ2 チェレンコフ光伝送に向けた空芯光ガイドにおけるガラス反射板とアルミホイル反射板の相対的性能は何か？
• RQ3 フォトディテクタの種別（PMT対APD）が、プロトタイプにおけるエネルギー分解能および線形性に与える影響は何か？
• RQ4 ビームのインパルス位置がカリメーター応答および分解能に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 どの光ガイド幾何形状および反射板構成が、最高の光透過効率と均一性を達成するか？

主な発見

• 同等の有効厚さの石英繊維と比較して、石英板は約10–15%高い光出力を示し、エネルギー分解能は同等であった。
• 石英板にガラス反射板と浜松PMTを組み合わせた場合、80 GeV電子でエネルギー分解能が約2%であったのに対し、アルミホイル反射板を用いた場合は約3.5–4.0%であった。
• 同じPMTおよびガラス反射板を用いた場合、石英板および繊維の両構成でエネルギー分解能の定数項（p₀）は1%未満であり、高エネルギー域での固有分解能劣化が小さいことを示した。
• 統計項（p₁）は、石英板で36%、繊維で46%であったため、石英板の方が分解能の均一性が優れていることが示された。
• APDsはフォトディテクタとしての可能性を示したが、放射線耐性、冷却、電圧安定化のためのさらなるテストが必要である。
• インパルス点が境界から8 mm以上離れている場合、セクタ間の漏れは無視できるほど小さく、境界から3 mm未満の点でのみ応答および分解能が劣化した。