[論文レビュー] Technical design report for the endcap disc DIRC $^{*}$

Fabrizio Davı́, W. Erni+465 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle Detector Development and Performance参考文献 37被引用数 5

ひとこと要約

この技術的設計報告書は、FAIRにおけるPANDA実験のための粒子ID検出器であるPANDAエンドキャップ・ディスク・DIRCについて詳述している。このシステムは、屈折および集光光学を用いて荷電粒子からのチェレンコフ光子を検出する。MCP-PMT、カスタムROM、窒素ガスの洗浄を用いて湿気を低く保つことで、高磁界環境下での高レート運用に最適化された機械的に頑丈で保守不要な設計により、高精度なパイオン-カイオン分離性能を実現している。

ABSTRACT

PANDA (anti-proton annihiliation at Darmstadt) is planned to be one of the four main experiments at the future international accelerator complex FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) in Darmstadt, Germany. It is going to address fundamental questions of hadron physics and quantum chromodynamics using cooled antiproton beams with a high intensity and and momenta between 1.5 and 15 GeV/c. PANDA is designed to reach a maximum luminosity of 2 × 10$^{32}$ cm$^{−2}$ s. Most of the physics programs require an excellent particle identification (PID). The PID of hadronic states at the forward endcap of the target spectrometer will be done by a fast and compact Cherenkov detector that uses the detection of internally reflected Cherenkov light (DIRC) principle. It is designed to cover the polar angle range from 5° to 22° and to provide a separation power for the separation of charged pions and kaons up to 3 standard deviations (s.d.) for particle momenta up to 4 GeV/c in order to cover the important particle phase space. This document describes the technical design and the expected performance of the novel PANDA disc DIRC detector that has not been used in any other high energy physics experiment before. The performance has been studied with Monte-Carlo simulations and various beam tests at DESY and CERN. The final design meets all PANDA requirements and guarantees sufficient safety margins.

研究の動機と目的

• FAIRにおけるPANDA実験のための高性能で保守不要な粒子IDシステムを設計すること。
• 屈折および集光光学を備えたディスク型DIRCを用いて、正確なパイオン-カイオン分離を達成すること。
• 高磁界環境下で長期にわたり安定性と放射線耐性を確保すること。
• 検出器へのアクセスや冷却に最小限の影響を与えるように、エンドキャップに検出器を統合すること。
• 湿気や放出ガスから感度の高い光学部品を保護するためのドライ窒素ガスシステムを実装すること。

提案手法

• DIRCは溶融石英の放射体ディスクと集光光学を用い、チェレンコフ光子をMCP-PMTに誘導する。
• 各クアッドラントは、整列安定性を確保する剛性のあるユニットとして組み立てられ、ROM（読み出しモジュール）ハウジングを統合している。
• 3 mmのチューブに沿って安定化クロスに沿って流れ込むドライ窒素ガスシステムにより、光学部品の周囲の湿気を低く保つ。
• 高電圧（HV）および低電圧（LV）ケーブル、データファイバー、冷却ラインは、200 mmのz方向クリアランスを確保した構造化ケーブルトレイを通す。
• フロントエンド電子回路（FEE）はROMハウジングの外側に配置され、放出ガスと光学部品への熱負荷を低減する。
• 長期休止中にMCP-PMTおよびROMのモジュラー交換が可能となるように設計されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PANDA実験の高磁界環境下で運用可能な高精度で保守不要なDIRCをどのように設計できるか？
• RQ2 感度の高い溶融石英光学部品を湿気および放出ガスから保護する最適な機械的構成とガス洗浄設定は何か？
• RQ3 高電圧、データ、冷却ケーブルの統合を、機械的安定性やアクセスに悪影響を与えることなく実現する方法は？
• RQ4 すべての光学部品の周囲で低湿気環境を維持するための必要ガス流量と分布はどの程度か？
• RQ5 MCP-PMTなどの主要部品の将来的な交換を、検出器の完全な分解なしに実現するにはどう設計すべきか？

主な発見

• PANDAエンドキャップ・ディスク・DIRCは、1クアッドラントあたり96個のMCP-PMTおよび96個のROMを備えた剛性で整列安定性のあるユニットとして設計されている。
• 1クアッドラントあたり数リットル/時間のガス流量を有するドライ窒素ガスシステムにより、光学部品の周囲に低湿気環境を維持している。
• 合計10,100 mm²のケーブル断面積を有し、HV、LV、データ、ガス、冷却、レーザーラインの専用ルーティングを備えている。
• FEEはROMハウジングの外側に配置され、放出ガスと光学部品への熱負荷を最小限に抑えている。
• MCP-PMTおよびROMのモジュラー交換が可能であるが、MCP-PMTの交換にはEDDの完全な取り外しが必要となる。
• 高レート・高磁界条件下でも保守不要な運用を実現するように設計されており、1つのMCP-PMTの故障による著しい性能低下は予想されない。