[論文レビュー] Status and initial operation of ALICE

J. Schukraft|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2010

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

ひとこと要約

この論文は、CERNのLHCにおけるALICE実験の設計、構築、および初期運用について詳述しており、重イオン衝突におけるクォーク- gluonプラズマの研究に特化した能力に焦点を当てている。ALICEはTPCやTOFといった主要な検出器で設計性能にほぼ達したことが報告されており、1 GeVでの運動量分解能が1%に達しており、2億件を超える最小バイアスの陽子-陽子衝突イベントを収集し、信頼性の高い物理学解析を可能にした。

ABSTRACT

After close to 20 years of preparation, the dedicated heavy ion experiment ALICE took first data with proton collisions at the LHC at the end of 2009. This article recalls the main design choices made for the detector and summarizes initial operation and performance of ALICE at the LHC; first physics results are covered elsewhere in these proceedings.

研究の動機と目的

• 予想される極めて高い粒子多重度と高エネルギー状態を考慮し、LHC用に特化した重イオン実験の設計選択と技術的課題を要約すること。
• 20年間にわたるタイムラインにわたり、ALICE検出器システム（TPC、TRD、EMCALなど）の研究開発、構築、およびコンmissioningを文書化すること。
• LHC運用初年度における初期性能とデータ収集効率に焦点を当て、検出器のアライメント、キャリブレーション、再構成について報告すること。
• 今後の重イオン物理学プログラムを支援するための陽子-陽子衝突の性能ベースラインを確立すること。
• クォーク-グルーオンプラズマ研究に不可欠な高精度の運動量測定、粒子識別、トラッキング性能が検出器で達成可能かどうかを検証すること。

提案手法

• 空間電荷歪みを最小限に抑えるためにネオン/CO2ガス混合気体と細いギャップワイヤー読み出しを備えたタイムプロジェクションチェンバ（TPC）を採用し、トラッキング分解能を最大化した。
• 3.5 mのレバーアームを有する0.5 Tの磁場を用い、BL²の指標により高い運動量分解能を達成した。これは他のLHC実験と同等の性能であった。
• dE/dx（シリコンおよびガス検出器）、時間飛行法、遷移放射線、チェレンコフ放射、および崩壊のトポロジー再構成を組み合わせた、複数の粒子識別技術を統合した。
• 最大100 MB/イベントの大きなイベントサイズに対応し、恒常的なスループットが1 Gbyte/sを超える高帯域幅のDAQシステムを導入し、データを直接永久記憶装置に保存した。
• 宇宙線、ビームデータ、再構成済みπ⁰崩壊を用いた広範なキャリブレーションにより、TPCのドリフト速度の精度が10⁻⁴未満、TOFの時間分解能が90 psに達した。
• 高いイベントレートに対応するため、トラックアンドホールド読み出しとパイプライン非対応の電子回路を採用し、衝突後における感度の高いガス検出器の安全なコンmissioningを実現するための手順を慎重に設計した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中央部のPb-Pb衝突で予想される極めて高い粒子多重度（pp衝突の300倍まで）に対処するため、ALICEはどのように設計されたのか？
• RQ2 LHC運用の初期段階において、運動量分解能、粒子識別、トラッキング効率の各項目で、検出器が設計性能にどの程度達したのか？
• RQ3 正確なマテリアルバンジェット測定のための主な課題は何だったのか。また、それらは反陽子検出における系統誤差を低減するためにどのように解決されたのか？
• RQ4 他のLHC実験と比較して、ALICEのDAQシステムはどのように高いデータレートと大きなイベントサイズを処理したのか？
• RQ5 初期データ収集段階におけるTPCおよびTOF検出器のdE/dx分解能および時間分解能は、それぞれどの程度の性能を示したのか？

主な発見

• 長距離トラックにおけるdE/dx分解能が6%に達し、非相対論的運動量領域で粒子種の明確な分離が可能となった。
• 1 GeVでの運動量分解能が1%、10 GeVでの分解能が7%に達し、完全なシステム統合時における100 GeVでの設計目標（<10%）に近づいた。
• TPCのドリフト速度は10⁻⁴未満の精度で測定され、30分ごとに更新され、データ収集中における安定した性能を確保した。
• TOF検出器は約90 psの時間分解能を達成し、設計仕様を満たした。
• SPDおよびSDDの検出器アライメント精度が100 μm未満に達し、TPCの幾何学的アライメントも200–300 μmに達し、設計要件に近づいた。
• ALICEのDAQシステムは1 Gbyte/sを超える持続的データレートを達成し、LHCの全実験の中で最高帯域幅を有し、2010年5月までに最小バイアスのppイベントを2億件以上収集した。