[論文レビュー] Studies of the Response of the SiD Silicon-Tungsten ECal

A. L. Steinhebel, J. E. Brau|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2017

Semiconductor materials and devices参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、国際線形加速器（ILC）用に開発中のSiDシリコンタングステン電磁カルセラメータ（ECal）プロトタイプのビームテストおよびシミュレーション研究を提示しており、1 cm以上離れた2つの電子を98.5%の分離効率で区別できることを示している。Geant4を用いたシミュレーションとKPiX読み出しチップを組み合わせ、エネルギーおよび入射角に依存するキャリブレーション定数を確立した。これにより、ILCにおけるECal応答の正確なモデル化が可能となる。

ABSTRACT

Studies of the response of the SiD silicon-tungsten electromagnetic calorimeter (ECal) are presented. Layers of highly granular (13 mm^2 pixels) silicon detectors embedded in thin gaps (~ 1 mm) between tungsten alloy plates give the SiD ECal the ability to separate electromagnetic showers in a crowded environment. A nine-layer prototype has been built and tested in a 12.1 GeV electron beam at the SLAC National Accelerator Laboratory. This data was simulated with a Geant4 model. Particular attention was given to the separation of nearby incident electrons, which demonstrated a high (98.5%) separation efficiency for two electrons at least 1 cm from each other. The beam test study will be compared to a full SiD detector simulation with a realistic geometry, where the ECal calibration constants must first be established. This work is continuing, as the geometry requires that the calibration constants depend upon energy, angle, and absorber depth. The derivation of these constants is being developed from first principles.

研究の動機と目的

• 12.1 GeVの電子ビームテストにおいて、近接する電磁シャワーを分離できるSiDシリコンタングステンECalプロトタイプの性能を評価すること。
• Rウェートリングパラメータを用いたシャワー分類アルゴリズムの開発および検証を行い、電子シャワーと低エネルギー光子の混入を区別すること。
• エネルギー、入射角、吸収体深さに依存する、完全なSiD ECalシミュレーション用のキャリブレーション定数を導出すること。
• 異なる方位角（φ）における、重複する検出器モジュールがシャワーサンプリングおよびエネルギー分解能に与える影響を調査すること。
• 電荷の漏れがハドロンカルセラメータに及ぼす影響と、重複領域におけるサンプリングの均一性を分析することで、ECal設計の最適化を図ること。

提案手法

• SLACで実施したビームテストでは、13 mm²のシリコンピクセルとKPiX読み出しチップを備えた9層構造のSiD ECalプロトタイプを用い、12.1 GeVの電子からの電荷蓄積を測定した。
• シャワーパターンを分類するためのRウェートリングパラメータに基づくアルゴリズムを導入：$ R = \frac{\sum_{h} L_{h}^{2} \mathcal{C}_{h}}{\sum_{h} \mathcal{C}_{h}} $、ここで$ \mathcal{C}_{h} $は電荷、$ L_{h} $は層番号を表す。この手法により、低エネルギー光子の混入を特定・除去した。
• 10000件の単一電子イベントとポisson分布を用いた複数電子イベントの重ね合わせを考慮した、8000件のビームテストシミュレーションを実装した。
• ビームテスト条件を再現するため、各層で10%のピクセルをランダムに無効化することで、非動作ピクセルをシミュレートした。
• 完全なSiDジオメトリに拡張し、30層のシリコンと26放射長のDENS-24吸収体を含めた。最後の10層には、より厚いサンプリングを反映して2倍の重みを付けることで、電荷蓄積を加重した。
• 異なる入射角（0°〜30°）における30°のφ範囲にわたるECalバーレル全体の総電荷を解析し、重複領域を含めた。ハドロンカルセラメータへの電荷漏れと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビームテストにおいて、1 cm以上離れた2つの電子をSiD ECalがどれだけの効率で分離できるか？
• RQ2 ビームテストデータにおいて、Rウェートリングアルゴリズムは、電子シャワーと低エネルギー光子の混入をどれほど効果的に区別できるか？
• RQ3 特に重複モジュール領域において、ECal内の測定電荷は方位角φにどのように依存するか？
• RQ4 ECalのエネルギー分解能は、さまざまな入射角においてどのように変化するか？エネルギーおよび幾何構造に依存するか？
• RQ5 ハドロンカルセラメータへの電荷漏れはφにどのように依存するか？また、重複領域における放射長の短縮が果たす役割は何か？

主な発見

• ビームテストでは、1 cm以上離れた2つの電子を98.5%の分離効率で区別でき、ECalが近接した電磁シャワーを解像できることを確認した。
• Rウェートリングアルゴリズムを適用した後、低エネルギーイベントの約50%が低エネルギー光子の混入と特定され、信号純度が著しく向上した。
• 100 GeVの光子に対して、φ = 0°におけるECalバーレル全体の総測定電荷の標準偏差は平均の2.1%であり、高いエネルギー分解能を示した。
• 10 GeVの光子（10倍スケーリング）では、標準偏差が平均の5.7%〜6.6%の範囲にあり、低エネルギー域での分解能の不確実性が増加していることが示された。
• 重複領域（φ ≈ 8.786°）では、放射長が26から23.7 X₀に減少し、ハドロンカルセラメータへの電荷漏れが60%以上増加した。
• ECalバーレルの測定電荷分布は、すべてのφ角度で安定しており、100 GeVでは2.0%〜2.3%、10 GeVでは5.7%〜6.6%の標準偏差を示した。高サンプリング領域でも同様の安定性が確認された。