[論文レビュー] Scintillator-Based Electromagnetic Calorimeter Prototype and Beam Test Results at FNAL

Adil Khan|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、フェルミラブのビームテスト施設で電子、パイオニウム、ミューオンビーム（1–32 GeV）を用いてテストされたシンチレーター・タングステン電磁カルオリメータープロトタイプについて報告する。エネルギー分解能の統計的項は15.15±0.03%、定数項は1.44±0.02%を達成し、線形性のずれは6%未満であった。これは、将来のILC検出器に向けた技術の妥当性を裏付けている。

ABSTRACT

A prototype Scintillator-Tungsten electromagnetic calorimeter (ScECAL) for the ILC detector was tested in 2008 at the Fermilab test beam. Data were collected with electron, pion and muon beams in the energy range 1 to 32GeV combined with hadronic calorimeter and Tail catcher. One of the main objectives of the CALICE program is to establish the technology of Scintillator-based electromagnetic calorimeter and validate the prformance of the calorimeter. From preliminary results of the first approach of analysis with electron beam, we obtain the ScECAL energy resolution σstochastic = 15.15+/-0.03% and σconstant = 1.44+/-0.02% . The deviation from the linear response is calculated to be less than 6%.

研究の動機と目的

• 国際線形加速器（ILC）検出器への応用を目的としたシンチレーター・タングステン電磁カルオリメータ（ScECAL）の性能を検証すること。
• 制御されたビーム条件下でのScECALプロトタイプのエネルギー分解能と線形性を評価すること。
• 将来の高エネルギー物理学実験における高精度な電磁エネルギー測定に適した技術の妥当性を評価すること。
• CALICEプログラムの目標、すなわち将来の加速器に向けたシンチレーター基盤のカルオリメトリの実用的技術としての確立に貢献すること。

提案手法

• タングステン吸収体とシンチレーティングファイバーの交互に積層したプロトタイプのシンチレーター・タングステン電磁カルオリメータ（ScECAL）を製作した。
• プロトタイプはフェルミラブのテストビーム施設で、1から32 GeVのエネルギー範囲の電子、パイオニウム、ミューオンビームに露出した。
• 光検出器をシンチレーティングファイバーに接続し、信号を読み取り記録して解析を行った。
• 標準的なパラメータ化を用いてエネルギー分解能を統計的項と定数項に分解した：σ = σ_stochastic ⊕ √E ⊕ σ_constant。
• 全エネルギー範囲にわたり、測定エネルギーとビームエネルギーの比較により、応答の線形性を評価した。
• 全イベント再構築の向上を目的として、ハドロンカルオリメータおよびテイルキャッチャーと併せてデータ収集を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1から32 GeVのビームエネルギー範囲におけるシンチレーター・タングステン電磁カルオリメータープロトタイプのエネルギー分解能はいかほどか？
• RQ2 エネルギースペクトル全域において、カルオリメータの応答は線形性からどの程度ずれているか？
• RQ3 シンチレーター基盤技術が国際線形加速器（ILC）検出器に求められる性能を満たすことができるか？
• RQ4 統計的項と定数項は、総エネルギー分解能にそれぞれどの程度寄与しているか？
• RQ5 同一のビーム条件下で、異なる粒子種別（電子、パイオニウム、ミューオン）に対するプロトタイプの性能はいかがであったか？

主な発見

• 1–32 GeVのビームエネルギー範囲で、エネルギー分解能の統計的項は15.15±0.03%として測定された。
• エネルギー分解能の定数項は1.44±0.02%と決定され、ノイズとベースライン不確実性が低いことを示した。
• 全エネルギー範囲にわたり、線形応答からのずれは6%未満であった。これは良好な線形性を示している。
• プロトタイプは、電子ビームが主なキャリブレーションデータを提供するなど、異なる粒子種別において一貫した性能を示した。
• 結果は、将来のILC電磁カルオリメータに向けたシンチレーター・タングステン技術の実現可能性を支持する。
• ビームテストの結果は、ScECALプロトタイプの設計と性能を裏付け、CALICEプログラムの先進的カルオリメトリの目標と整合している。