[論文レビュー] Quartz fiber calorimetry and calorimeters

G. Mavromanolakis|ArXiv.org|Dec 20, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 38被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、電磁シャワーおよびハドロンシャワー内の荷電粒子を検出するために石英繊維におけるチェレンコフ効果を用いる技術、すなわち石英繊維キャロリメトリーを提示する。このキャロリメーターの動作原理、放射線耐性、高速応答性、コンact設計について詳述し、CMS、ALICE、CASTORなどの主要実験における前方キャロリメトリー、ランクスメトリー、トリガー系への応用を示している。電子ではエネルギー分解能が0.21%/√E、パイオンでは0.95%/√Eにまで達している。

ABSTRACT

Quartz fiber calorimetry is a technique the signal generation mechanism of which is based on the Cherenkov effect. In this article we try to give a comprehensive overview of the subject. We start with a general introduction to calorimetry where the basic elements that characterize the development of electromagnetic and hadronic showers are discussed. Then we describe in detail the operation principle and the properties of calorimeters equipped with quartz fibers. The main advantages of this type of calorimeters are the radiation hardness, the fast response and the compact detector dimensions, features that derive from the quartz material and the specific mechanism of operation. A section is devoted to presenting the quartz fiber calorimeters that have been built or planned to in various experiments to operate as centrality detectors, trigger detectors, luminosity monitors or general purpose very forward calorimeters.

研究の動機と目的

• 従来のサンプリングキャロリメーターの代替手段として、放射線に強く、高速応答を示す石英繊維キャロリメトリーの包括的概要を提供すること。
• エネルギー測定に用いられる石英光学繊維内でのチェレンコフ光の生成および伝播の物理的原理を分析すること。
• 主な高エネルギー物理学実験における既存および計画中の石英繊維キャロリメーターを文書化し、比較すること。
• 前方および中央性測定に適した、エネルギー分解能、放射線耐性、コンact性の観点からこれらのキャロリメーターの性能を評価すること。
• 将来のキャロリメーターにおいて、石英繊維とシンチレーティング繊維を併用したデュアルリードアウト手法が、ハドロンシャワーのエネルギー分解能を向上させ得る可能性を検討すること。

提案手法

• 論文は理論的分析と実験データを用いて、石英繊維キャロリメーターにおける信号生成メカニズムとしてのチェレンコフ効果を説明する。
• 光の繊維内伝播を、数値的NA（NA = 0.37）と全内反射を用いてモデル化し、効率的な光ガイドを実現する。
• シャワーを誘発するためにタングステン、 lead、またはタニシュチウム吸収体を用い、相対論的荷電粒子から発生するチェレンコフ光子を0.6 mmコア径の石英繊維が捕捉する。
• エネルギー分解能は、式 σ(E)/E = A/√E ⊕ B を用いて定量され、AおよびBは複数の実験から得られた実験データから決定される。
• フォトマルチプライヤーが繊維バンドルからの光を収集し、光ガイドおよびセグメンテッド幾何構造により位置およびエネルギー測定が可能になる。
• 設計は、石英および繊維光学の使用により、高い放射線耐性（最大300 krad）、高速タイミング、コンact性を重視している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のサンプリングキャロリメーターと比較して、石英繊維キャロリメトリーはどのようにして高い放射線耐性と高速応答性を達成しているのか？
• RQ2 チェレンコフ効果は信号生成において果たす役割は何か？ また、この効果はこれらの検出器のエネルギー分解能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 タングステン、 lead、タニシュチウムなどの異なる吸収体材料および繊維充填率は、石英繊維キャロリメーターの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 高レートの前方環境下で、石英繊維キャロリメーターは電子およびパイオンに対して1%未満のエネルギー分解能を達成できるか？
• RQ5 将来のキャロリメーターにおいて、石英繊維とシンチレーティング繊維を併用したデュアルリードアウト手法は、ハドロンシャワーのエネルギー分解能を向上させ得るか？

主な発見

• LHCのCASTORキャロリメーターは、電子で0.21%/√E、パイオンで0.95%/√Eのエネルギー分解能を達成し、繊維充填率29.5%、300 kradの放射線耐性を有する。
• H1バーリーフォワードEMキャロリメーターは、59.5%の繊維充填率と高い光出力（130 p.e./GeV）のおかげで、電子で0.19%/√Eという優れた分解能と0.5%の定数項を達成した。
• NA52バーリーフォワードEMキャロリメーターは、7.8%の繊維充填率と1 Gradの放射線線量で、電子で0.56%/√Eの分解能を達成し、高レート環境下での性能を示した。
• CMSバーリーフォワードキャロリメーターは、8.8放射長の深さと1%未満の繊維充填率で、電子で2.7%/√Eの分解能を達成し、コンact性と放射線耐性を示した。
• ALICE nZDCおよびpZDCは、それぞれ2.7 TeVで10.5%および約10%のエネルギー分解能を達成し、繊維充填率は4.55%および1.54%であり、重イオン物理学での性能を確認した。
• RHICゼロデグリーキャロリメーターは、8%の繊維充填率と100 kradの放射線線量で、電子で0.846%/√Eの分解能を達成し、高ランクスメトリ環境下での頑丈さを示した。