[論文レビュー] Hadron calorimeter with MAPD readout in the NA61/SHINE experiment

A. Ivashkin, F. Akhmadov+21 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2012

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、CERNのNA61/SHINE実験向けに、マイクロピクセルアバランチフォトダイオード（MAPD）を用いたモジュラー鉛シンチレーター陽子線形器を提案する。この線形器は、重イオン衝突におけるプロジェクタイル・スパーサーの測定を目的としている。線形器は44個のセグメント化モジュールで構成され、WLSファイバーによる光読み出しとMAPD-3Aフォト検出器（15,000ピクセル/mm²）を用い、最大6×10⁴光子まで線形応答を達成する。30 GeVにおけるエネルギー分解能は6.5%であり、ビームテストにおいても安定した動作を示した。

ABSTRACT

The modular hadron calorimeter with micro-pixel avalanche photodiodes readout for the NA61/SHINE experiment at the CERN SPS is presented. The calorimeter consists of 44 independent modules with lead-scintillator sandwich structure. The light from the scintillator tiles is captured by and transported with WLS-fibers embedded in scintillator grooves. The construction provides a longitudinal segmentation of the module in 10 sections with independent MAPD readout. MAPDs with pixel density of $~10^{4}$/mm$^2$ ensure good linearity of calorimeter response in a wide dynamical range. The performance of the calorimeter prototype in a beam test is reported.

研究の動機と目的

• 強い相互作用物質の相図を研究するため、NA61/SHINE実験向けに高分解能陽子線形器を開発すること。
• イオン-イオン衝突における非相互作用核子（プロジェクタイル・スパーサー）の数を測定し、臨界点および脱コンfinementの始まりを探索すること。
• 大きな衝突幾何的フラクチュエーションが生じる中でも、優れたエネルギー分解能（σE/E < 60%/√E）と横方向均一性を確保すること。
• 高密度MAPD（15,000ピクセル/mm²）が高強度陽子線形シャワーにおいて線形応答を示すことを検証すること。
• NA61/SHINEで想定されるビーム強度下で、線形器プロトタイプが広いエネルギー範囲（1–158 GeV）において安定かつ線形に動作することを実証すること。

提案手法

• 線形器は44個の独立モジュールから構成され、それぞれが60層の鉛（16 mm）とシンチレーター（4 mm）を有し、合計5.7核子相互作用長を形成する。
• シンチレーター・タイルからの光は、溝に埋め込まれたWLSファイバーで集光され、各モジュールで10個の縦方向セクションに分岐し、それぞれが1つのMAPDで読み出される。
• 15,000ピクセル/mm²の高密度で、3×3 mm²の有効面積を持つMAPD-3Aフォト検出器を用い、広動態範囲と良好な線形性を実現する。
• エネルギー応答の均一性を校正するため、90の読み出しチャンネルを含む9個の3×3 cm²モジュールを用いてミューオンビーム走査を実施した。
• エネルギー分解能は、陽粒子ビーム（SPSで20–158 GeV、PSで1–6 GeV）を用いて測定され、横方向シャワー漏れ（推定16%）の補正が施された。
• データに3項分解能モデル（確率的項、定数項、漏れ項）をフィットさせ、分解能パラメータを抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高密度MAPD（15,000ピクセル/mm²）は、陽子線形器内で最大6×10⁴光子が入射する光パルスに対し、線形応答を示すか？
• RQ2 WLSファイバー読み出しとMAPD読み出しを組み合わせたモジュラー鉛シンチレーター設計は、30 GeVで<60%/√Eの必要なエネルギー分解能を達成するか？
• RQ3 横方向シャワー漏れは、30×30 cm²プロトタイプにおいてエネルギー分解能にどの程度影響を与えるか？また、その補正は可能か？
• RQ4 NA61/SHINEで想定されるビーム強度下で、MAPD-3Aフォト検出器は連続ビーム運転において安定かつ線形に動作するか？
• RQ5 線形器プロトタイプは、陽子線形シャワーとは異なる電磁的応答（例：陽電子のエネルギー損失）を正確に識別できるか？

主な発見

• MAPD-3Aフォト検出器は、最大6×10⁴光子（最大15,000光電子に相当）の入射光パルスに対し、線形応答を示し、予想される最大ビーム強度下でも5%未満の振幅低下にとどまった。
• 30 GeVにおける陽電子エネルギー損失のエネルギー分解能は6.5%で測定され、<60%/√Eという目標要件と整合的であった。
• フィットされた3項分解能モデルから、確率的項は56.1%、定数項は2.1%であり、固定された漏れ項16%が得られた。これは部分的な補償を示唆するが、非理想的なサンプリングを示している。
• プロトタイプは、2か月間にわたるキャリブレーションおよびビーム走査において安定した動作を示し、320個のMAPD-3Aサンプルが正常に機能した。
• 線形器の縦方向10セクション分割により、粒子種別識別が可能となり、光集光の均一性も向上した。
• モンテカルロシミュレーションにより、30×30 cm²プロトタイプにおける約16%の横方向シャワー漏れが分解能劣化の主要因であることが確認され、大規模なテストの正当性が裏付けられた。