[論文レビュー] The "miniskirt" counter array at CDF-II

A. Artikov, G. Bellettini+13 more|ArXiv.org|Sep 20, 2002

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、フェルミラブのテバトロンにおけるCDF-IIミューオン検出器のアップグレードにおいて、'ミニスカート'シンチレーションカウンタアレイ（MSX）の設計、改造、試験、設置について詳述している。空間的制約により完全なライトガイド読み出しを実現できない状況に対処するため、波長シフト（WLS）ファイバーを用い、ファイバー端に鏡面加工を施し、コンactなPMTを採用した。これにより、2.2 ns未満の時間分解能を達成し、トップクォークおよびヒッグスボソン物理学研究におけるバックグラウンド抑制に十分な性能を発揮した。

ABSTRACT

As a part of the CDF Upgrade for Run-II of the Tevatron collider, the azimuthal coverage of the muon detectors between pseudorapidities of 0.6 and 1.2 was completed by the insertion of stacks of drift chambers and scintillation counters, which came to be known as the "miniskirts" because they cover lower 90^o in azimuth. The design and construction of the miniskirts was rather complex and posed special problems because of its interference with the floor and the supports of the central detector. The original design parameters of the "miniskirt" scintillator counters for the CDF Muon System are presented and the modifications, testing and installation of these counters in the course of the CDF Upgrade Project are described in detail

研究の動機と目的

• Run-Iでは不完全であった、偽レピティチュード範囲 0.6 < |η| < 1.2 におけるCDF-IIミューオン検出器のアバタールカバレッジを拡大すること。
• ミニスカートカウンタに標準的なライトガイド読み出しシステムを完全に設置できない機械的・空間的制約を解決すること。
• トップクォークおよびヒッグスボソン物理学において、特に $t\overline{t}$ および $J/\Psi \to \mu^+\mu^-$ 衰えに起因するバックグラウンド抑制に必要な時間分解能を確保すること。
• 鏡面加工を施したファイバー端を備えた信頼性の高いWLSファイバー読み出しシステムを開発・実装し、光収率を最大化するとともに、時間不確実性を最小限に抑えること。
• 完全設置前に宇宙線およびビーム条件下でのMSXカウンタの性能をキャリブレーションおよび検証すること。

提案手法

• MSXには、元設計の20 mm 厚のCSXカウンタとは異なり、台形断面のNE114シンチレーター（15 mm 厚）を採用した。
• 標準MSXカウンタでは、2" EMIタイプのPMTと湾曲したルシットライトガイドを用いた両端読み出しを実装したが、空間的制約のため4つのカウンタ（MSX′）では、1 mm 直径のY11 WLSファイバーに置き換えた。
• 光収率を向上させるために、シンチレーターの長辺に15ファイバー束のWLSファイバーリボンをBC-600光学接着剤で接着した。
• WLSファイバーの遠方端にアルミニウム蒸着被膜を施し、「鏡面」端を形成することで、70–90%の反射効率を達成し、光収率を向上させた。
• PMTのキャリブレーションには、高速青色LED（Nichia NSPB310A）を用い、1光電子あたりのチャンネル数である定数k（チャンネル/光電子）を抽出した。これにより、$n_{pe} = (\overline{Q} - Q_o) / (k/A)$ を用いてカウンタ感度を算出した。
• 時間分解能の測定には、2つの15×15×2 cm³のシンチレーターを備えた宇宙線ミューオン望遠鏡を用い、TDCおよびミリタイムャーを用いて時間分解能と系の系統的誤差を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.6 < |η| < 1.2 の範囲におけるCDF-IIミューオンシステムの90°アバタールギャップで、効果的なミューオン検出をどのように実現できるか？
• RQ2 ミニスカートカウンタに標準的なライトガイドを設置できない機械的制約がある場合、代替の読み出し方法として何が利用可能か？
• RQ3 鏡面加工を施したWLSファイバー読み出しは、Run-IIの物理学的応用に十分な時間分解能を達成できるか？
• RQ4 最終的なMSX′設計で達成可能な時間分解能は何か？ また、バックグラウンド抑制の要件を満たしているか？
• RQ5 カウンタ長手方向における信号タイミングのばらつきが、全体の性能およびシステム安定性に与える影響は何か？

主な発見

• 鏡面加工を施したWLSファイバー読み出しシステムにより、合計時間分解能（$\sigma_{\text{tot}}$）が≤2.2 nsに達し、Run-II物理学におけるバックグラウンド抑制要件を満たした。
• トリガーカウンタの不確実性（1.1 ns）を補正した平均時間分解能は、位置にかかわらず一貫しており、PMTから最も離れた端（X3）で最大の不確実性が観測された。これは、ライトガイド内でのチェレンコフ光の寄与が原因とされる。
• アルミニウム被膜を施した鏡面ファイバー端は、反射効率を70–90%まで向上させ、コーティングなしのファイバーに比べて信号収率を顕著に向上させた。
• ADC応答を用いたカウンタ感度は、キャリブレーション済みPMTパrameterと式 $n_{pe} = (\overline{Q} - Q_o) / (k/A)$ を用いて測定され、その結果は表2に示されている。
• WLSファイバー読み出しとコンactなハマムツ・H5783 Pムトを備えた最終設計は、正常に試験・設置され、2002年秋には3つの標準MSXセクションがすでに稼働を開始した。
• YMONプログラムによる占有率監視により、ビームおよび宇宙線条件下での安定した動作が確認され、顕著なノイズやゲイン不安定性は観測されなかった。