[論文レビュー] The Yale liquid argon time projection chamber

Alessandro Curioni, B. T. Fleming+1 more|ArXiv.org|Apr 2, 2008

Neutrino Physics Research参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、イェール大学で開発・建設され、初の成功裏に稼働した液体アルゴン時間投影連合器（LAr TPC）プロトタイプの設計、構築、および運用を提示している。これは米国で初めての宇宙線粒子線の画像化を達成した。検出器はイオン化電子のドリフトとワイヤー基盤の電荷読み出しを用い、最小イオン化粒子に対して約4の信号対ノイズ比を達成し、3次元イベント再構成を実現した。これは将来的な液体アルゴン技術を用いた大規模ニュートリノ実験のための重要なマイルストーンを示している。

ABSTRACT

In this paper we give a thorough description of a liquid argon time projection chamber designed, built and operated at Yale. We present results from a calibration run where cosmic rays have been observed in the detector, a first in the US.

研究の動機と目的

• 将来的なニュートリノ実験のための研究開発ツールとして、液体アルゴン時間投影連合器（LAr TPC）のプロトタイプを開発・稼働化すること。
• 米国で初めてとなる、米国ベースの LAr TPC における宇宙線検出の可能性を実証すること。
• 液体アルゴンの精製、高電圧安定性、低ノイズ電子回路の性能を、画像化可能な動作検出器で検証すること。
• ArgoNeuT などの将来的な実験の基盤を築くために、ビーム環境下で主要部品と運用手順をテストすること。

提案手法

• 検出器は、460 Lの有効体積を有する円筒形ステンレス鋼製容器から構成され、87 Kの超高純度液体アルゴンで満たされている。
• 荷電粒子が生成するイオン化電子が一様な電界（16 cmのドリフト距離）の下で、3次元位置再構成のための2つの直交するワイヤープレーンへとドリフトする。
• 誘導および収集ワイヤープレーンは、透過性と信号の忠実性を確保するため、Frischグリッド構成で高電圧で駆動されている。
• 信号読み出しは、ICARUS共同研究プロジェクトが提供するフロントエンド電子回路およびDAQシステムを用い、0.4 μsのサンプリング間隔で波形をデジタル化している。
• 液体アルゴンの精製は連続的システムにより実施され、電気陰性不純物濃度を1 ppb未満に保つことで、電子の付着を防止している。
• 上部フランジにはCF/VCRシールドを設け、0.3 atmの過圧を維持し、光学フィードスルーを備えた純度モニタを用いてリアルタイムでの監視が可能になっている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 米国で完全な宇宙線画像化能力を備えた液体アルゴン時間投影連合器を、実際に構築・運用することが可能か？
• RQ2 この特定の電子回路およびシールド構成を用いた LAr TPC において、最小イオン化粒子の信号対ノイズ比はどの程度達成可能か？
• RQ3 長時間にわたる運用において、LAr 精製システムが電子移動度と信号整合性をどの程度維持できるか？
• RQ4 液体アルゴン環境下で、高電圧システムと低ノイズ読み出しを安定して稼働させることができるか？
• RQ5 ノイズ低減とシステム統合の面で、このプロトタイプを大規模ニュートリノ検出器にスケーリングするにあたり、主な課題は何か？

主な発見

• イェール大学の LAr TPC は、米国で初めての宇宙線線の画像化に成功し、米国内における LAr TPC 技術の発展にとって画期的なマイルストーンを達成した。
• 最小イオン化粒子の信号対ノイズ比は約4に測定され、電子ノイズの平均は約2.5 ADCカウント（RMS）であり、主にマイクロフォニックノイズによるものであった。
• ノイズレベルは、1 ADCカウントあたり約10,000電子（約250 keVのイオン化エネルギーに相当）に相当し、信号ケーブルにおける顕著なマイクロフォニックノイズが確認された。
• 誘導プレーンは高電圧部品との容量結合のため、一部の実験では完全な2次元画像化が不可能であった。
• ノイズの課題にもかかわらず、電磁遮へいとハドロン相互作用の明確な同定が達成され、全有効体積にわたるシャワーの例も観測された。
• 超高純度 LAr、高電圧システム、機能的な精製システムを備えた検出器は、安定した運用を示し、信頼性の高いデータ取得を可能にした。