[論文レビュー] The Silicon Vertex Detector of the Belle II Experiment

G. Dujany, K. Adamczyk+79 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2021

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

ひとこと要約

Belle II シリコンバーテックスデティクタ（SVD）は、4層構造の二面シリコンストリップトラッカーであり、内側のピクセル検出器への高精度な軌道外挿を可能にし、低運動量粒子の独立したトラッキングを提供するとともに、電離エネルギー損失を用いた粒子同定を強化する。極めて高いビームバックグラウンド環境下でも優れた性能を維持し、高い信号対ノイズ比、安定した空間分解能、時間分解能に基づくタイムアウトヒットの効率的拒否を達成している。初期の放射線損傷効果が観察されたが、性能の低下は見られない。

ABSTRACT

In 2019 the Belle II experiment started data taking at the asymmetric SuperKEKB collider (KEK, Japan) operating at the Y(4S) resonance. Belle II will search for new physics beyond the Standard Model by collecting an integrated luminosity of 50~ab$^{-1}$. The silicon vertex detector (SVD), consisting of four layers of double-sided silicon strip sensors, is one of the two vertex sub-detectors. The SVD extrapolates the tracks to the inner pixel detector (PXD) with enough precision to correctly identify hits in the PXD belonging to the track. In addition the SVD has standalone tracking capability and utilizes ionization to enhance particle identification in the low momentum region. The SVD is operating reliably and with high efficiency, despite exposure to the harsh beam background of the highest peak-luminosity collider ever built. High signal-to-noise ratio and hit efficiency have been measured, as well as the spatial resolution; all these quantities show excellent stability over time. Data-simulation agreement on cluster properties has recently been improved through a careful tuning of the simulation. The precise hit-time resolution can be exploited to reject out-of-time hits induced by beam background, which will make the SVD more robust against higher levels of background. During the first three years of running, radiation damage effects on strip noise, sensor currents and depletion voltage have been observed, as well as some coupling capacitor failure due to intense radiation bursts. None of these effects cause significant degradation in the detector performance.

研究の動機と目的

• Belle II 実験における高精度なバーテックス再構築を実現するため、内側ピクセル検出器への高分解能の軌道外挿を提供すること。
• シリコンストリップセンサにおける電離エネルギー損失測定を用いて、低運動量粒子の独立したトラッキングを支援すること。
• 世界最高の輝度の衝突環境において、時間分解能を活用したヒット拒否により、強力なビームバックグラウンドの影響を軽減すること。
• 極端な条件下での時間経過に伴うセンサ性能への放射線損傷効果をモニタリングおよび特徴づけること。
• SuperKEKBにおける50 ab⁻¹の物理学計画期間にわたる長期的な運用安定性と性能を確保すること。

提案手法

• 1層あたり0.7% X₀の総材料予算を満たす4層の二面シリコンストリップセンサ（SVDレイヤー3～6）を用いる。
• 短いシャープング時間（120 ns）を持つAPV25読み出しチップを採用し、リーク電流ノイズを抑制するとともに、高い信号対ノイズ比を維持する。
• 正確なヒット時間分解能（約100 ps）を活用し、即時信号ヒットとタイムアウトバックグラウンドヒットを区別する。
• センサーオンライン度とダイヤモンドセンサによる線量測定の相関関係を用いて放射線損傷をモニタリングする。
• クラスタ特性に関するデータとシミュレーションの整合性を高めるために、シミュレーションのチューニングを実施し、再構築精度を向上させる。
• v/N側とN側のノイズと動作電圧のスキャンを用いて、デプレーション電圧の安定性をモニタリングし、放射線による変化を検出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SVDは、極めて高いビームバックグラウンド条件下でも、どのように高い空間分解能と信号対ノイズ比を維持しているのか？
• RQ2 時間分解能に基づく情報は、信号効率を著しく低下させることなく、ビームバックグラウンド由来のタイムアウトヒットをどの程度効果的に拒否できるのか？
• RQ3 SVDセンサにおける初期の放射線損傷効果が、ストリップノイズ、リーク電流、デプレーション電圧に及ぼす影響は何か？
• RQ4 センサ特性に及ぼされる放射線由来の変化が、全体のトラッキングおよび再構築性能にどのように影響するのか？
• RQ5 予想される放射線レベルを考慮した場合、設計輝度下での全50 ab⁻¹データセットを走行するにあたり、SVDはその性能を維持し続けられるか？

主な発見

• SVDは2019年3月以降、高いヒット効率、優れた空間分解能、時間経過に伴う安定した信号対ノイズ比を維持して信頼性高く稼働している。
• SVDは約100 psのヒット時間分解能を達成しており、これにより約半数のバックグラウンドヒットが効果的に拒否され、信号ヒットの99%以上が保持されている。
• 放射線損傷によりレイヤー3のストリップノイズが20–25%増加したが、v/N側では飽和が観察され、u/P側では進行中であるが、性能の低下は観察されていない。
• リーク電流は積算線量に比例して増加（2–5 μA/cm²/Mrad）したが、短いシャープング時間のおかげでノイズに顕著な影響を及ぼさず、問題ない。
• 70 kradの線量後でも完全デプレーション電圧の変化は観察されておらず、放射線被曝下でも早期のデプレーション電圧シフトは見られない。
• 設計輝度（8×10³⁵ cm⁻²s⁻¹）における予想ビームバックグラウンドではレイヤー3の占有度が約3%に上昇するが、時間ベースの拒否によりこれを緩和でき、許容可能な占有度上限を倍増させることができる。