[論文レビュー] Prototype studies for a forward EM calorimeter in ALICE

T. Peitzmann|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2013

Particle Detector Development and Performance被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、LHCのALICE実験における高分解能フォワード電磁カルシウム・カウンター（FoCal）のプロトタイプを提示している。CMOSモノリシックアクティブピクセルセンサー（MAPS）を用いることで、高運動量領域でのγ/π⁰分離を可能にする。プロトタイプは優れたシャワー分布解像度と有望な線形性およびエネルギー解像度を示したが、完全なキャリブレーションが行われていないため制限を受けており、将来的なFoCal導入に向けたMAPSを用いたデジタルカルシウム・カウンターの実現可能性を検証した。

ABSTRACT

A forward electromagnetic calorimeter (FoCal) based on SiW technology is being considered as a possible upgrade to the ALICE detector. This device should in particular feature an extremely high granularity allowing gamma/pi0 discrimination out to very high momenta. The main option considered for the high granularity layers is the use of CMOS pixel sensors. We will discuss the motivation and design principles of the proposed calorimeter and will then focus on the experience gained with a full CMOS-pixel calorimeter prototype. Preliminary results of this device show very good capabilities for shower profile measurements, and reasonable results for linearity and resolution, which are limited by the currently incomplete calibration.

研究の動機と目的

• 偽レピダイティーη > 3の領域で高運動量の光子および電子を測定可能な、ALICE用フォワード電磁カルシウム・カウンター（FoCal）の開発を目的とする。これはグルーオンの飽和およびカラーレース・コンデンゲート効果を調べるためである。
• CMOSモノリシックアクティブピクセルセンサー（MAPS）を用いて極めて高い分解能を実現し、π⁰崩壊に起因する重ね合わせた電磁シャワーを正確に分離することを目的とする。
• ピクセルベースのエネルギー付加測定（ヒット数による）を用いたデジタルカルシウム・カウンターの実現可能性を検証することを目的とする。
• ビームテストにおいて、全CMOSピクセルプロトタイプの性能を評価し、シャワー形状再構築、線形性、エネルギー解像度に注目する。
• LHCの極めてフォワード領域において、従来のアナログカルシウム・カウンターがシャワー分離に課題を抱える中で、高分解能デジタルカルシウム・カウンターの実用可能性を示すための概念実証を目的とする。

提案手法

• 3.3 mmのタングステンとCMOS MAPSセンサー（100×100 μm²ピクセル）を交互に24層配置した、4×4 cm²、10 cmの深さのプロトタイプ・カルシウム・カウンターの設計および製作。
• ピクセル内でのバイナリ読み出しとマクロピクセル統合（1 mm²）を用い、ピクセル数を擬似アナログエネルギー付加量に変換することで、デジタルカルシウム・カウンターを実現する。
• 200 GeVの電子ビームを用いたビームテストにより、複数の層におけるシャワー分布再構築、線形性、エネルギー解像度を評価する。
• 実験データとGEANT4シミュレーションの比較を通じて、応答の一様性、モリエ半径、キャリブレーション効果を評価する。
• ヒットスペクトルにガウスフィッティングを適用し、エネルギー解像度（σ）を抽出し、線形性からのずれを評価することでキャリブレーションの必要性を検討する。
• シャワー核からの横方向ヒット分布を用い、モリエ半径を測定し、シャワー形状モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMOSモノリシックアクティブピクセルセンサー（MAPS）は、フォワード領域の高運動量電磁シャワーにおいて、2つのシャワーの分離に十分な分解能と解像度を提供できるか？
• RQ2 未キャリブレーションのプロトタイプ応答は、電磁シャワーに対してどの程度の線形性とエネルギー解像度を示すか？
• RQ3 測定された横方向シャワー分布は、期待されるモリエ半径11 mmとどの程度一致するか？ これはシャワー形状再構築にどのような意味を持つか？
• RQ4 不完全なキャリブレーションおよびデッドピクセルの影響は、デジタルカルシウム・カウンターのエネルギー解像度および線形性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 このプロトタイプは、高分解能フォワード検出器環境下でピクセルヒット数に基づくデジタルカルシウム・カウンターの概念実証として機能できるか？

主な発見

• プロトタイプは測定されたモリエ半径が11 mmであり、期待値と一致しており、シャワー分布再構築に優れた空間解像度を示していることが確認された。
• 30 GeV電子に対する全検出器応答では、エネルギー解像度がσ = 6.2%を達成したが、これはシミュレーション値のおおよそ2倍であり、主に補正されていないキャリブレーション効果に起因する。
• 第12層の単層応答は、シミュレーションと良好に一致しており、実験的解像度σ_exp = 26.3%、シミュレーション値σ_sim = 25.0%（30 GeV時）であった。
• 検出器応答は良好な線形性を示しており、キャリブレーションなしでも線形フィットからのずれが約1%以内に収まっていた。これはデジタルカルシウム・カウンターの強力な可能性を示している。
• プロトタイプは、初期層の鋭いピークから、深層における広がった分布へのシャワー分布の進化を成功裏に解離しており、2つのシャワー分離の能力を確認した。
• CMOS MAPSが提供する高分解能により、シャワー形状解析が正確に行えるようになり、特にHGLを含めたシミュレーションで系統的不確実性が低減されることから、高エネルギー領域におけるγ/π⁰分離に不可欠であることが示された。