[論文レビュー] The Calibration System of the HAWC Gamma-Ray Observatory

H. A. Ayala Solares, Michael Gerhardt+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2015

Particle Detector Development and Performance参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、HAWCガンマ線観測所の1,200個のフォトマルチプライヤー管（PMT）に対して、7次のオーダーの動的範囲にわたって正確な電荷および時間校正を可能にするレーザー基盤のキャリブレーションシステムを提示する。532 nmのパルスレーザーを中性密度フィルターおよび光ファイバーを用いて、システムは1ナノ秒未満の時間分解能と1 PE未満の精度で電荷キャリブレーションを達成しており、占有度およびToT法による検証と、アレイ全体におけるPMT応答の一貫性からも裏付けられている。

ABSTRACT

The HAWC collaboration has recently completed the construction of a gamma-ray observatory at an altitude of 4100 meters on the slope of the Sierra Negra volcano in the state of Puebla, Mexico. In order to achieve an optimal angular resolution, energy reconstruction, and cosmic-ray background suppression for the air showers observed by HAWC, it is crucial to obtain good timing and charge calibrations of the photosensors in the detector. The HAWC calibration is based on a laser system which is able to deliver short light pulses to all the tanks in the array. The light intensity can range over 7 orders of magnitude, broad enough to cover all the dynamic range of the PMT readout electronics. In this contribution we will present the HAWC calibration system, together with the methods used to calibrate the detector.

研究の動機と目的

• HAWCガンマ線観測所の300個のウォーター・チェレンコフ検出器（WCD）向けに、強固でスケーラブルなキャリブレーションシステムを開発すること。
• 7次のオーダーの動的範囲にわたって、0.1から1,000以上の光電子（PE）の範囲でPMTの正確な電荷キャリブレーションを達成すること。
• 広範なエア・ショワーの方向再構築のため、1ナノ秒未満の時間分解能を確保すること。
• 電荷および時間応答分布の自動分析を通じて、PMTの外れ値を同定・マークすること。
• レーザー光と基準器を用いた繰り返し可能でトレーサブルなキャリブレーション手順により、長期的な検出器安定性を維持すること。

提案手法

• 532 nmのパルスレーザー（45 µJ、300 psパルス幅）が、光ファイバー、分岐器、スイッチのネットワークを通じて、すべてのWCDに光を供給する。
• 中性密度フィルターにより、光強度を7次以上のオーダーで減衰可能であり、1 PEから数千PEまでのキャリブレーションが可能である。
• 低光強度のキャリブレーションには、占有度法が用いられる：$<n_{\text{PE}}>=-\ln(1-\eta)$、ここで$\eta$はレーザーイベントの観測割合である。
• 高強度領域では、低PEデータを用いて線形フィット $<n_{\text{PE}}>=A(I/I_{\text{ref}})+B$ を適用し、電荷応答を外挿する。
• 時間超過閾値（ToT）を用いてパルス振幅を再構築し、閾値通過時刻の依存性を補正するため、非線形関数によるスレーピング補正が施される。
• シャワー再構築データを用いて残差を反復的に最小化し、3回の反復後に0.1 nsの精度に到達し、天頂方向の整合性補正も施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのレーザーシステムを用いて、HAWCアレイの1,200個すべてのPMTを7次オーダーの動的範囲にわたってキャリブレーションする方法は何か？
• RQ2 PMT応答全範囲にわたって、ToT測定値を絶対的電荷（PE単位）に変換する最適な方法は何か？
• RQ3 光路差およびパルス高さ効果の違いにもかかわらず、すべてのPMTチャネルで1ナノ秒未満の時間分解能を達成するにはどうすればよいか？
• RQ4 エア・ショワー波面に対するPMTのスレーピングおよび時間残差を補正するための系統的補正は何か？
• RQ5 故障または異常応答を示すPMTを同定するため、自動化された外れ値検出をどのように実装できるか？

主な発見

• レーザーキャリブレーションシステムは、光強度の動的範囲が7次オーダー以上にわたる範囲をカバーし、1 PEから1,000以上のPEまでキャリブレーションを可能にした。
• 占有度法は低強度領域で正確な電荷キャリブレーションを提供し、$<n_{\text{PE}}>=-\ln(1-\eta)$ により2 PE未満で一貫性のある結果が得られた。
• 線形外挿モデル $<n_{\text{PE}}>=A(I/I_{\text{ref}})+B$ は高強度領域へのキャリブレーションを正確に拡張でき、SPEおよびシグマ分布の一貫性からも検証された。
• 時間残差補正プロセスは3回の反復で0.1 nsの時間精度に到達し、さらに天頂指向性能のための補正が施された。
• SPE分布の平均は、8インチおよび10インチのPMTの両方で約1 PEであり、キャリブレーションの正確性が裏付けられた。
• SPEおよびシグマ分布の4シグマカットを用いた外れ値PMTの同定は、自動化された品質管理を可能にした。