[論文レビュー] The CMS HGCAL detector for HL-LHC upgrade

A. Martelli|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

HL-LHCアップグレードのためのCMS HGCAL検出器は、従来のエンドキャップ・カリメータを、六角形シリコンセンサ（0.5–1 cm²）とシンチレーター、SiPM読み出しを用いた高粒界のサンプリング・カリメータに置き換える。これにより、積み重なりの高い環境下でも3次元の粒子フロー再構成が可能となり、積み重なりの抑制とエネルギー分解能が向上する。ビームテストでは、データとシミュレーションの間に良好な一致が確認され、将来の本格的導入に向けた設計および再構成アルゴリズムの妥当性が裏付けられた。

ABSTRACT

The High Luminosity LHC (HL-LHC) will integrate 10 times more luminosity than the LHC, posing significant challenges for radiation tolerance and event pileup on detectors, especially for forward calorimetry, and hallmarks the issue for future colliders. As part of its HL-LHC upgrade program, the CMS collaboration is designing a High Granularity Calorimeter to replace the existing endcap calorimeters. It features unprecedented transverse and longitudinal segmentation for both electromagnetic (ECAL) and hadronic (HCAL) compartments. This will facilitate particle-flow calorimetry, where the fine structure of showers can be measured and used to enhance pileup rejection and particle identification, whilst still achieving good energy resolution. The ECAL and a large fraction of HCAL will be based on hexagonal silicon sensors of 0.5-1cm$^{2}$ cell size, with the remainder of the HCAL based on highly-segmented scintillators with SiPM readout. The intrinsic high-precision timing capabilities of the silicon sensors will add an extra dimension to event reconstruction, especially in terms of pileup rejection. An overview of the HGCAL project is presented, covering motivation, engineering design, readout and trigger concepts, and performance (simulated and from beam tests).

研究の動機と目的

• HL-LHCの高光度環境における放射線および積み重なりの課題に対処する。
• 従来のエンドキャップ・カリメータを、横方向および縦方向の分割能が画期的な新しい検出器に置き換える。
• 細粒度のシャワー再構成を通じて粒子フロー・カリメータを実現し、粒子同定および積み重なりの抑制を強化する。
• シリコンセンサの内在的サブナノ秒時間分解能を活用し、高いエネルギー分解能と時間精度を達成する。
• ビームテストを用いて、設計およびシミュレーションの妥当性を検証する。

提案手法

• 六角形シリコンセンサとシンチレーター・タイル、SiPM読み出しを用い、EE部に14層、FHおよびBH部にそれぞれ12層のサンプリング・カリメータを設計する。
• 2次元クラスタを各層で特定し、シャワー軸に沿ってそれらを複数層クラスタにグループ化する3次元イメージング・クラスタリングアルゴリズムを実装する。
• 銅支持プレートに固定されたCu/Wベースプレート、シリコンセンサ、PCBの積層構造を採用し、機械的剛性、熱管理、放射線耐性を確保する。
• CERNおよびFNALでのMIPおよび電子ビームテストを用いて応答をキャリブレーションし、吸収体材料による損失を補正する。
• 詳細なGEANT4ベースのシミュレーションとビームテストデータを比較し、一貫した解析およびキャリブレーションを適用することで、シャワーモデルの妥当性を検証する。
• シリコンセンサの内在的時間情報を活用し、高密度イベント環境下での積み重なり抑制を強化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HGCALの高粒界性は、高積み重なりのHL-LHC環境下でどのように粒子フロー再構成を向上させるか？
• RQ2 シリコンセンサの内在的時間性能は、高密度イベント環境下でどの程度積み重なりの抑制を向上させるか？
• RQ3 シミュレーションは、ビームテスト・プロトタイプで測定されたエネルギー分解能およびシャワー分布をどの程度正確に再現するか？
• RQ4 3次元イメージング・クラスタリングアルゴリズムは、5次元（エネルギー、x、y、z、時間）における重複シャワーをどの程度解像できるか？
• RQ5 EEプロトタイプにおけるビームテスト結果は、HGCAL全システムの設計およびシミュレーションの妥当性を検証できるか？

主な発見

• MIPに対して約7の信号対ノイズ比が達成され、期待される性能と低ノイズレベルが確認された。
• 高エネルギー域での電子シャワーの相対的エネルギー分解能は数パーセント程度に測定されたが、テスト装置の粗い縦方向サンプリングによる制限が明確に見られた。
• シャワー形状の変数（横断的プロファイル、第1層エネルギー割合など）について、データとシミュレーションの間に良好な一致が確認され、シャワーモデルの妥当性が裏付けられた。
• 20–250 GeVのエネルギー範囲において、データで測定された縦方向シャワー分布がシミュレーションと一致し、検出器の幾何構造および上流部材の正確な記述が実現されたことが確認された。
• CERNおよびFNALでのビームテストキャンペーンにより、EEプロトタイプの設計およびシミュレーションが重要な検証を経て、技術設計レポートへの道筋が固まった。
• 2016年のビームテスト結果は、HGCAL設計の実現可能性を確認し、2017年の拡張型プロトタイプキャンペーン（ハドロン層含む）の基盤を築いた。