[논문 리뷰] A Cylindrical GEM Inner Tracker for the BESIII experiment at IHEP

R. Farinelli, M. Alexeev외 44명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 02.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 IHEP의 BESIII 실험을 위해 원통형 GEM(CGEM) 내부 트래커를 제안하며, 자기장 내에서도 고해상도 트래킹을 가능하게 한다. 이 트래커는 수직 및 기울어진 트랙 또는 자기장 조건에 최적화된 두 가지 재구성 알고리즘—전하 중심(CC) 및 시간 기반 mu-TPC—을 사용하여, 모든 입사 각도와 최대 1 T 자기장에서 안정적인 공간 해상도 130 μm 이하를 달성한다.

ABSTRACT

The Beijing Electron Spectrometer III (BESIII) is a multipurpose detector that collects data provided by the collision in the Beijing Electron Positron Collider II (BEPCII), hosted at the Institute of High Energy Physics of Beijing. Since the beginning of its operation, BESIII has collected the world largest sample of J/ψ and ψ(2s). Due to the increase of the luminosity up to its nominal value of 10^33 cm-2 s-1 and aging effect, the MDC decreases its efficiency in the first layers up to 35% with respect to the value in 2014. Since BESIII has to take data up to 2022 with the chance to continue up to 2027, the Italian collaboration proposed to replace the inner part of the MDC with three independent layers of Cylindrical triple-GEM (CGEM). The CGEM-IT project will deploy several new features and innovation with respect the other current GEM based detector: the μTPC and analog readout, with time and charge measurements will allow to reach the 130 μm spatial resolution in 1 T magnetic field requested by the BESIII collaboration. In this proceeding, an update of the status of the project will be presented, with a particular focus on the results with planar and cylindrical prototypes with test beams data. These results are beyond the state of the art for GEM technology in magnetic field.

연구 동기 및 목표

• BESIII 실험의 고속도, 고자기장 환경과 호환되는 원통형 GEM 트래커 개발.
• 다양한 입사 각도와 자기장 조건에서 고공간 해상도를 유지하는 데 도전하는 문제 해결.
• 시험 비드 데이터를 사용하여 대면적 삼중 GEM 검출기의 원통 기하학에서의 성능 검증.
• 평판형 GEM 재구성 알고리즘의 원통형 GEM 기하학과의 호환성 입증.
• 다양한 조건에서 전하 중심 및 mu-TPC 알고리즘의 최적 성능 전이 특성 규명.

제안 방법

• INFN 워크숍에서 원통 기하학의 대면적(반지름 20 cm, 길이 80 cm) 삼중 GEM 검출기 설계 및 제작.
• 고속도 환경에서의 작동 신뢰성 확보를 위한 가스 밀폐 및 전기적 안정성 기술 적용.
• 두 가지 독립된 재구성 알고리즘 사용: 수직 트랙에 적합한 전하 중심(CC), 기울어진 트랙 또는 자기장 영향을 받는 트랙에 적합한 mu-TPC.
• 클러스터 크기 >2에 최적화된 스트립 전하의 가중 평균을 사용한 전하 중심 방법을 통한 위치 결정.
• 도래 시간과 시뮬레이션된 도래 속도(Garfield)를 사용하여 발화된 스트립에 2차원 위치를 할당하는 mu-TPC 알고리즘 구현.
• CERN에서의 시험 비드 측정을 통한 성능 평가: 이득 설정 및 클러스터 크기에 따른 CGEM과 평판형 GEM 반응 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기장이 없는 조건에서 원통형 GEM 트래커의 공간 해상도는 입사 각도에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ2 1 T 자기장 존재 시 전하 중심 및 mu-TPC 재구성 알고리즘의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 전하 분포 형상(Gaussian 대비 상자형)이 큰 입사 각도에서 해상도를 얼마나 악화시키는가?
• RQ4 자기장 또는 기울어진 입사 조건에서 전하 중심 방법의 해상도 손실을 mu-TPC 알고리즘이 얼마나 보완할 수 있는가?
• RQ5 전하 선형성 및 클러스터 크기 반응 측면에서 원통형 GEM의 성능은 평판형 GEM과 일관성이 있는가?

주요 결과

• 전하 중심(CC) 방법은 자기장이 없고 수직 입사 조건에서 공간 해상도 110 μm를 달성한다.
• 큰 입사 각도에서 전하 분포가 Gaussian에서 상자형으로 변형됨에 따라 CC 해상도가 100 μm 이상으로 악화된다.
• mu-TPC 알고리즘이 큰 각도 및 자기장 조건에서 해상도를 향상시키며, 루소르 각도 26° 이상에서 주요 방법이 된다.
• CC 및 mu-TPC 알고리즘의 조합은 모든 입사 각도와 최대 1 T 자기장에서 안정적인 공간 해상도 130 μm 이하를 유지한다.
• CGEM에서 평균 수집 전하량은 클러스터 크기와 선형성을 보이며, 평판형 GEM과 호환되어 전자 번개 행동이 일관됨을 확인한다.
• CGEM은 양면 모두 97%의 효율 플랫폼를 보이며, 신호 전하량과 발화된 스트립 수는 이득에 따라 증가한다.