[論文レビュー] Gamma Polari-Calorimetry with SOI pixels for proposals at Extreme Light Infrastructure (ELI-NP)

Kensuke Homma, Y. Nakamiya|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2015

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ELI-NP施設における高エネルギーガンマ線の偏光およびエネルギーを測定するために、薄いSOIピクセルセンサを用いたガンマ・ポラリカルオリメータ（GPC）を提案している。このシステムは、高原子番号（Z）の薄い金属箔における光子変換と、一様な磁場内での電子・陽電子対の追跡を活用し、7%の運動量分解能と50%の分析能力を達成しており、非摂動的QED研究の実現可能性を示している。

ABSTRACT

We introduce the concept of Gamma Polari-Calorimetry (GPC) dedicated for proposals at Extreme Light Infrastructure in the Romanian site (ELI-NP). A simulation study shows that an assembly of thin SOI pixel sensors can satisfy our requirements to GPC.

研究の動機と目的

• ELI-NP施設における高エネルギーガンマ線（0.1–数GeV）の線形偏光およびエネルギーを測定可能な検出システムの開発を目的とする。
• 強力なレーザー場内での真空中の屈折率の変化（真空の屈折率の二重屈折）および非線形QED効果を、偏光したガンマ線を用いたプローブによって検出する挑戦に応えることを目的とする。
• コンactで移動可能な構造を実現しつつ、<20 MeVの高い運動量分解能と、1ショットあたり最大約10本のガンマ線入射を解像可能な性能を達成することを目的とする。
• 偏光測定のための反応面の非対称性を、入射ガンマ線の偏光面に対して正確に測定し、相対的な配置を特定することを目的とする。
• INTPIX4 SOIピクセルセンサがELI-NPの環境下で、同時に偏光測定とエネルギー測定が行えるかどうかの実現可能性を検証することを目的とする。

提案手法

• 入射ガンマ線から電子・陽電子対を生成するため、20 µm 厚の金箔を用いた光子変換を実施し、エネルギーおよび偏光測定を可能にする。
• 一様な電磁石磁場を用いて対の分離と追跡を行い、磁場内での曲率から運動量を再構築する。
• 多重散乱を最小限に抑えるために、17×17 µm² のピクセルを持つ薄いSOIピクセルセンサを層状に配置し、角度分解能を保持する。
• 空間効率的で移動可能な構成を実現するため、コンactなハルバッハ型永久磁石を用いて一様な磁場を生成する。
• 粒子相互作用、センサ応答、トラック再構築をシミュレートするため、Geant4に基づくシミュレーションフレームワークを採用する。
• 偏光測定における信号対雑音比として定義される分析能力を用いて、性能を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SOIピクセルベースの検出器システムは、ELI-NP環境下でガンマ線エネルギーおよび偏光測定に必要な<20 MeVの運動量分解能を達成できるか？
• RQ2 e+e−対生成面の角度非対称性から、入射ガンマ線の偏光状態をどの程度正確に再構築できるか？
• RQ3 高Z材料（例：金）の箔厚さをどの程度にすれば、変換効率を最大化しつつ、角度分解能および運動量分解能を損なわないか？
• RQ4 1ショットあたり10本のガンマ線入射を、顕著なクロストークや分解能の低下を伴わずに解像できるか？
• RQ5 INTPIX4 SOIセンサチップは、ELI-NP環境下で10 Hzの繰り返しレートでリアルタイム読み出しに適しているか？

主な発見

• 0.2 GeV以上の電子および陽電子のトラックについて、7%の運動量分解能が達成されており、<20 MeVの要件を満たしている。
• ポラリメータの分析能力は約50%であり、偏光状態に対する高い感度を示している。
• 20 µm 厚の金箔は、多重散乱を最小限に抑えつつ、十分な変換効率を提供しており、角度分解能の劣化も最小限に抑えられる。
• 17×17 µm² のピクセルを持つSOIピクセルセンサの使用により、正確なトラック再構築と最初のレイヤーへの当たった点の高精度な外挿しが可能である。
• コンactなハルバッハ磁石設計は、移動可能で空間効率の良い検出システムの要件を満たしている。
• シミュレーション結果から、INTPIX4ベースのセンサアセンブリが、ELI-NP環境下で高分解能の同時偏光測定とエネルギー測定が可能であることが確認された。