[論文レビュー] Snowmass Whitepaper: The Belle II Detector Upgrade Program

F. Forti|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、SuperKEKBにおけるBelle II検出器のアップグレード計画を概説し、フレーバー、タウ、電弱、ダークセクター現象における新しい物理の感度向上を目的として、短期的（LS1）および中長期的（LS2）なアップグレードを提案している。複数の検出器技術（DEPFET、CMOS MAPS、SOI、TPCベースのトラッキング）を評価し、高速タイミング層を備えたTPCが、ビームバックグラウンドやイオンバックフローの課題にもかかわらず、設計照度の5倍の照度でも現在のトラッキング性能を達成できることを示している。

ABSTRACT

We describe the planned near-term and potential longer-term upgrades of the Belle II detector at the SuperKEKB electron-positron collider in Tsukuba, Japan. These upgrades will allow increasingly sensitive searches for possible new physics beyond the Standard Model in flavor, tau, electroweak and dark sector physics that are both complementary to and competitive with the LHC and other experiments. We encourage the instrumentation-frontier community to contribute and study upgrade ideas as part of the Snowmass process.

研究の動機と目的

• Belle IIで、フレーバー、タウ、電弱、ダークセクター物理学における、標準模型を超える新しい物理の感度の高い探索を可能にする。
• SuperKEKBで予想される高照度条件下における、現在のBelle II検出器システムの性能限界を解消する。
• 将来的なアップグレードのための高度な検出器技術（DEPFET、CMOS MAPS、SOI、TPCなど）の評価と開発を進める。
• 超高照度運用に向けた長期的アップグレードの可能性を評価する。具体的にはTPCベースのトラッキングシステムとタイミング層の導入を想定する。
• Snowmass 2021プロセスにおけるインフラストラクチャー分野の貢献に向けた費用、スケジュール、リソースの見積もりを提供する。

提案手法

• 高照度条件下における検出器応答をモデル化するため、モンテカルロシミュレーションを用いた詳細な性能評価を実施。ビームバックグラウンドやパイルアップを含む。
• 放射線耐性、占有可能、データレート、マテリアルバンクの観点から、バーテックス検出器に適した複数のセンサ技術（DEPFET、CMOS MAPS、SOI）を評価。
• r = 250 mmに高速タイミング層を備えたTPCベースのトラッキングシステムを提案。これにより、高照度下でも粒子識別およびトリガ効率を維持できる。
• イオンバックフローとビーム誘発バックグラウンド（例：マイクロカールャー）をシミュレーションし、TPC性能とデータスループットへの影響を評価。
• TPCシミュレーションにおけるグリッドピクセルに類似したバイナリリードアウトとデジタイゼーションを近似するため、ボクセルベースのモデリング（55×55×55 µm³）を用いる。
• マテリアルバンクと多重散乱の影響を含めたさまざまな条件下で、現在のCDCと提案されたTPCシステムのトラッキング性能（特にpT分解能）を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SuperKEKBの設計照度の5倍の照度下でも、TPCベースのトラッキングシステムは、現在のCDCと同等のpT分解能を維持できるか？
• RQ2 主なバックグラウンド源（例：マイクロカールャー、ビーム誘発光子）は何か？ それらはTPCの占有可能性とデータスループットにどのように影響するか？
• RQ3 r = 250 mmに設置された高速タイミング層は、TPCベース設計におけるPIDおよびトリガ能力の喪失をどの程度補えるか？
• RQ4 ビーム誘発プロセスに起因するイオンバックフローはTPC性能にどのように影響するか？ また、フロントエンドのリジェクションやリードアウト最適化によって緩和可能か？
• RQ5 マテリアルバンクと多重散乱はpT分解能の低下にどの程度寄与するか？ 今後のバーテックス検出器設計でそれらを低減可能か？

主な発見

• TPCベースのトラッキングシステムは、設計照度の5倍の照度下でも、現在のCDCと同等のpT分解能を達成しており、特に高pT領域では拡散とイオン化統計の優位性により、劣化が遅い。
• 平均してビーム誘発バックグラウンドは、1件のトリガイベントあたり9本のトラックを生じる。これは、オフライン解析で拡散幅とインパクト・パラメータを用いて容易に同定可能である。
• マイクロカールャーに起因する占有可能性は、200×200×200 µm³のボクセル内に2×10⁻⁴未満と推定され、検出器の占有可能性に制限はないが、データスループットは依然として懸念事項である。
• マイクロカールャーはイオン化率の主な寄与要因であり、主にビーム誘発の低エネルギー光子に起因する。したがって、ビームバックグラウンドのシミュレーションが不正確な場合、高いバックフローのリスクが生じる。
• イオンバックフローは1%程度と推定され、ゲイン2000の条件で評価されたが、これは未モデル化のインジェクションバックグラウンドを考慮していないため楽観的である可能性がある。高いバックフローはトラッキング性能の劣化を引き起こす可能性がある。
• r = 250 mmに設置された高速タイミング層は、現在のCDCよりも優れたパイオントン/カイオン分離性能を提供でき、TPC設計におけるPIDおよびトリガ能力の喪失を補うことができる。