[論文レビュー] Studies on Particle Identification with dE/dx for the ILD TPC

Uwe Krämer, Paul Malek+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Particle Detector Development and Performance参考文献 20被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、国際線形加速器（ILC）の国際ディスカバリー装置（ILD）用プロトタイプ時間投影 chamber（TPC）において、ガス電子増倍器（GEM）を用いた気体増幅を用いたdE/dxを用いた粒子識別に関する実験的およびシミュレーション研究を提示する。dE/dx分解能がビームテストで(8.7 ± 0.1)%であったことから、著者らは全ILC TPCにまで外挿し、5%未満の分解能を達成すると予想し、高密度リードアウトを用いたクラスターカウントが、特に300 µm未満のパッドサイズおよび長いドリフト長において、粒子分離性能を向上させることを示している。

ABSTRACT

For the International Large Detector (ILD) at the planned International Linear Collider (ILC) a Time Projection Chamber (TPC) is foreseen as the main tracking detector. To achieve the required point resolution, Micro Pattern Gaseous Detectors (MPGD) will be used in the amplification stage. A readout module using a stack of three Gas Electron Multipliers (GEM) for gas amplification was developed at DESY. In a test campaign at the DESY II Test Beam Facility the performance of three of these modules was investigated. In this contribution results were presented on the particle identification capabilities of the system using the specific energy loss (dE/dx). The results from the prototype were used to extrapolate to the performance of the full ILD TPC, where a dE/dx resolution of better than 5 % could be achieved. In addition, simulation studies were performed to optimise the readout pad size for improved dE/dx separation power. These studies also investigated the possibility to measure the deposited energy by counting the number of ionisation clusters (cluster counting). For small enough pads this approach was found to give similar or better performance compared to the traditional method of measuring the deposited charge.

研究の動機と目的

• ILCにおけるILD用のGEMベースTPCプロトタイプのdE/dx分解能性能を評価すること。
• ILD TPCの目標dE/dx分解能（5%未満）を達成可能かどうかを評価すること。
• リードアウトパッドサイズおよび増幅利得が粒子分離性能に与える影響を調査すること。
• 高密度リードアウトにおけるdE/dx推定器としての従来の電荷和算とクラスターカウントの比較を行うこと。
• シミュレーションおよびビームテストデータを用いて、最大の粒子識別性能を達成するリードアウトシステムの最適化を行うこと。

提案手法

• 3つのGEMベースリードアウトモジュールを装備した大型TPCプロトタイプを用いて、DESY IIテストビーム施設でビームテストを実施した。
• 5 GeVの電子ビームを用い、1本の軌道あたり約53個の有効ヒットを持つ再構築軌道を用いてdE/dx分解能を測定した。
• 正確なdE/dx決定を保証するため、専用の電荷キャリブレーション手順を用いて電荷応答をキャリブレーションした。
• イオン化クラスタを再構築し、dE/dx推定に用いるために、Source Extractorソフトウェアを用いて高密度リードアウトの性能をシミュレーションした。
• パッドサイズごとに飽和としきい値効果のバランスを最適化するため、GEM電圧による増幅利得を最適化し、分離性能を最大化した。
• 軌道長およびヒット効率に基づくスケーリング則を用いて、ビームテスト結果を全ILD TPC幾何形状に外挿した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GEMベースTPCプロトタイプのdE/dx分解能は、ILD TPCの要件（5%未満）を満たすことができるか？
• RQ2 リードアウトパッドサイズは、dE/dx測定におけるパイオントとカイオンの分離性能にどのように影響するか？
• RQ3 高密度TPCにおけるdE/dx推定において、イオン化クラスタのクラスターカウントは従来の電荷和算を上回る性能を示すか？
• RQ4 異なるパッドサイズに対して、粒子識別性能を最大化する最適な増幅利得は何か？
• RQ5 しきい値効果および信号飽和は、小パッドサイズにおけるdE/dx分解能にどのように影響するか？

主な発見

• GEMベースTPCプロトタイプのdE/dx分解能は、5 GeVの電子を用いて(8.7 ± 0.1)%で測定され、1本の軌道あたり約53個の有効ヒットを有する50 cmの軌道長であった。
• 全ILD TPC幾何形状への外挿では、大型バージョン（220列）で(4.2 ± 0.1)%、小型バージョン（165列）で(4.8 ± 0.1)%のdE/dx分解能が予測され、両者とも5%の目標を下回っている。
• 10%の無効ヒットを含めても分解能は約0.2百分率ポイントしか低下しないため、設計のロバスト性が確認された。
• パイオントとカイオンの分離性能は、パッドサイズが約1 mm × 1 mmでピークに達する。これは、増幅利得としきい値効果の最適なバランスによるものである。
• パッドサイズが300 µm未満の場合、クラスターカウントは電荷和算と同等またはそれ以上の分離性能を示し、特にドリフト長が500 mmを超える場合に顕著である。
• シミュレーションによる分離性能では、クラスターカウントが電荷和算を上回り、実験的スケーリングによって性能向上が裏付けられた。