[論文レビュー] The CaloCube calorimeter for high-energy cosmic-ray measurements in space: Performance of a large-scale prototype

O. Adriani, Antonio Agnesi+46 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 32被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、宇宙空間における高エネルギー宇宙線測定を目的とした、等方的で立方体型のシンチレータベースの検出器である大規模プロトタイプCaloCubeカリメーターの性能評価を提示する。5×5×18のCsI(Tl)結晶を用いて構築された本装置は、100 GeVにおける電子に対して約0.6%のエネルギー分解能を達成し、優れた線形性と一様性を示したが、シミュレーションとの間に5%の系統的差異が認められ、未考慮の物理的または機器的要因が関与している可能性がある。

ABSTRACT

The direct observation of high-energy cosmic rays, up to the PeV energy region, will increasingly rely on highly performing calorimeters, and the physics performance will be primarily determined by their geometrical acceptance and energy resolution. Thus, it is extremely important to optimize their geometrical design, granularity and absorption depth, with respect to the total mass of the apparatus, which is amongst the most important constraints for a space mission. CaloCube is an homogeneous calorimeter whose basic geometry is cubic and isotropic, obtained by filling the cubic volume with small cubic scintillating crystals. In this way it is possible to detect particles arriving from every direction in space, thus maximizing the acceptance. This design summarizes a three-year R&D activity, aiming to both optimize and study the full-scale performance of the calorimeter, in the perspective of a cosmic-ray space mission, and investigate a viable technical design by means of the construction of several sizable prototypes. A large scale prototype, made of a mesh of 5 5 18 CsI(Tl) crystals, has been constructed and tested on high-energy particle beams at CERN SPS accelerator. In this paper we describe the CaloCube design and present the results relative to the response of the large scale prototype to electrons.

研究の動機と目的

• ペブトンエネルギー領域までをカバーする、高透過率で3次元イメージングが可能なカリメーター設計を、宇宙空間で直接宇宙線を測定することを目的として最適化すること。
• 高エネルギー粒子ビーム下での大規模プロトタイプCaloCube検出器の性能を試験・検証し、エネルギー分解能、一様性、系統的不確実性を評価すること。
• エネルギー分解能を低下させる可能性のある系統的誤差要因、特に信号キャリブレーションとクロストークの特定と低減を図ること。
• LYSOベースのカリメーターの設計をHERD実験に反映させるために、ケーブル配線、読み出し電子回路、信号処理技術の最適化を図ること。
• 次世代カリメーターのための基準を確立し、高精度な宇宙線分光法に向けた、より優れたエネルギー分解能と低減された系統的不確実性を実現すること。

提案手法

• 3.6 cm×3.6 cm×3.6 cmのCsI(Tl)シンチレータ結晶を5×5×18のアレイで構築し、合計で約27個の放射長を形成する。
• 2つの独立した読み出しシステムの採用：高動態範囲を想定した低利得フォトダイオード（LPD）と低エネルギー信号に適した小利得フォトダイオード（SPD）を用い、専用の前段増幅回路を設置。
• CERN SPSで100 GeVから243 GeVのエネルギーを持つ電子ビームを用いたビーム試験により、エネルギー応答と分解能を評価。
• 二重チャネルキャリブレーション手順の実装：LPDの利得キャリブレーションにはタイミング補正を、SPDの利得等価化には共通モードノイズ差し引き法を適用。
• 信号の正規化とシミュレーションベースの検証により、キャリブレーションおよび応答モデルの妥当性を検証。
• 飽和補正とノイズ差し引き技術の適用により、特に高エネルギー領域での信号線形性と分解能を向上。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CaloCubeプロトタイプの高エネルギー電子に対するエネルギー分解能はどの程度であり、シミュレーション予測と比較してどうなるか？
• RQ2 活性体積全域における信号応答はどれほど一様か。非一様性の主な要因は何か？
• RQ3 読み出し電子回路におけるクロストークとノイズがエネルギー分解能に及ぼす影響はどの程度で、これらは低減可能か？
• RQ4 測定値とシミュレートされたシャワー信号との間に、どのような系統的差異が認められ、その原因は何か？
• RQ5 ケーブル配線や読み出しアーキテクチャを含む設計選択が、今後の宇宙ミッションにおける性能とスケーラビリティにどのように影響するか？

主な発見

• CaloCubeプロトタイプは、中心に入射する電子に対して100 GeVで約0.6%のエネルギー分解能を達成し、キャリブレーション不確実性を含めたシミュレーションと良好に一致した。
• 中央領域における全信号収量は約2%の範囲内で一様であったが、結晶縁付近ではより大きな偏差が認められ、良好な空間一様性が確認された。
• 測定値とシミュレーションの全信号振幅の間に約5%の系統的差異が観測されたが、推定された系統的不確実性とわずかに一致する程度であった。
• 200 GeVを超えるエネルギーで、LPDの飽和による電荷注入がSPDチャンネルに及ぶことで、プロトタイプの性能が低下した。これは、不適切なフラットケーブル設計とクロストークに起因した。
• ケーブルシステムに起因するノイズとクロストークの問題にもかかわらず、エネルギー分解能は200 GeVまで維持された。これは、二重読み出し設計の高い耐障害性を示している。
• 本結果を踏まえ、HERD実験のための重要な設計改善がなされた。具体的には、LPDとSPD信号の絶縁されたルーティングを実現する新しいケーブル配線、ノイズ低減、静電容量結合の低減が実施された。