[論文レビュー] Precision Polarimetry at the International Linear Collider

C. Helebrant, D. Käfer+1 more|ArXiv.org|Sep 26, 2008

Particle Detector Development and Performance参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、国際線形衝突型加速器（ILC）のための高精度な偏光測定システムを提示する。Compton散乱とチェレンコフ検出器を用い、電子および陽電子ビームの偏光をΔP/P = 0.25%の精度で測定する。さらに、消滅校正を用いることで0.1%まで向上可能である。この手法は、レーザー光の偏光状態を+1と-1に切り替えた際の再衝撃電子エネルギー分布における非対称性を測定することで実現され、特にSiPMおよびPMTの光検出器の線形性が主な制限要因と特定され、パルス幅およびマスクを用いた方法による厳密な非線形性試験によって対処されている。

ABSTRACT

The International Linear Collider (ILC) will collide polarised electrons and positrons at beam energies of 45.6 GeV to 250 GeV and optionally up to 500 GeV. To fully exploit the physics potential of this machine, not only the luminosity and beam energy have to be known precisely, but also the polarisation of the particles has to be measured with an unprecedented precision of dP/P ~ 0.25% for both beams. An overall concept of high precision polarisation measurements at high beam energies will be presented. The focus will be on the polarimeters (up- and downstream of the e+e- interaction point) embedded in the ILC beam delivery system. Some challenges concerning the design of the Compton spectrometers and the appropriate Cherenkov detectors for each polarimeter are discussed. Detailed studies of photodetectors and their readout electronics are presented focusing specifically on the linearity of the device, since this is expected to be the limiting factor on the precision of the polarisation measurement at the ILC.

研究の動機と目的

• ILCにおける未だかつてないほど高いビーム偏光測定精度（ΔP/P = 0.25%）を達成し、消滅データを用いた絶対校正により0.1%まで向上させること。
• 偏光測定における主要な系統的不確かさ要因である、光検出器および読み出し電子回路の非線形性を、パーミルレベルまで同定・低減すること。
• ILCのチェレンコフ検出器に用いる光検出器技術、特に従来型PMT、マルチアンソードPMT（MAPM）、シリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）の性能を評価・比較すること。
• 光検出器および電子回路の微分非線形性（DNL）および積分非線形性（INL）を、0.1%未満の精度で測定・補正する実験的手法を開発・検証すること。

提案手法

• 衝突点の上流および下流に2台のCompton偏光測定器を設置し、冗長性と相互校正を可能にする。
• 磁気チカイン（magnetic chicane）を用いて、Compton再衝撃電子のエネルギー分布を空間分布に変換して測定する。
• 高閾値媒体（C4F10）または石英繊維とSiPMを用いたチェレンコフ検出器を用い、相対論的電子が発するチェレンコフ光を検出する。
• 入射レーザー光の円偏光状態を+1と-1に切り替えることで、電子スペクトルにおける非対称性を測定し、偏光を評価する。
• 青色LED（470 nm）、関数発生器、高分解能12ビットVME電荷デジタルコンバーター（QDC）を備えた試験施設を用い、光検出器の線形性を特徴付ける。
• 複数の非線形性測定手法を適用：パルス幅変化、微小穴マスクによる微分非線形性測定、校正済み光学フィルターによる光の減衰。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ILCにおけるビーム偏光測定精度の限界要因となる光検出器および電子回路の非線形性はどの程度のレベルに達するか？
• RQ2 パルス幅法は、ILCのチェレンコフ検出器に用いられる光検出器において、パーミルレベル（0.1%）の非線形性を検出可能か？
• RQ3 PMT、MAPM、SiPMといった異なる光検出器技術は、線形性、磁場耐性、ILC偏光測定への適性においてどのように比較されるか？
• RQ4 QDCおよび光検出器システムの微分非線形性（DNL）および積分非線形性（INL）は、どの程度まで測定・補正可能であり、0.25%の偏光精度目標を満たすか？
• RQ5 パルス幅法、マスク法、フィルター法といった複数の測定手法を組み合わせることで、光検出器線形性の補足的かつ冗長な検証が可能か？

主な発見

• 試験装置に用いられたQDCは、メーカー仕様内での良好な線形性を示し、残存非線形性は補正可能と予想される。
• パルス幅法は、0.05%レベルの非線形性に感度を示し、パーミルレベルの偏差を検出可能であることを確認した。
• QDCの微分非線形性（DNL）および積分非線形性（INL）は10億サンプル以上で測定され、コードビン幅が一様で、わずかな偏差が観察された。
• パルス幅法は2×2 MAPMに対しても成功裏に適用され、カイ二乗の低減値が良好なフィット品質を示した。
• 3×3 mm²のSiPMに対する初期測定では、明確に分離された1光子電子スペクトルが得られ、ガウス幅をもつランダウ分布のフィットにより、光子出力の最も確率の高い値（MPV）が特定された。
• 制御された光の減衰を実現するための光学フィルターの校正が、今後の非線形性研究に必要な精度で進行中である。