[논문 리뷰] Calorimeters for the FCC-hh

M. Aleksa, P. P. Allport외 15명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 20.

Superconducting and THz Device Technology인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 FCC-hh 프로톤-프로톤 콜라이더를 위한 다층 캘리메터 시스템을 제안하며, 극한의 빛의 밀도와 방사선 조건에서도 높은 에너지 및 각도 해상도를 확보하기 위해 액체 아르곤(LAr), 발광성 플라스틱 타일(Tile), 단일 구조 활성 픽셀 센서(MAPS)를 통합한다. 전체 Geant4 시뮬레이션을 통해 시스템이 수 테라전자볼트 이내의 공명 탐색에 대한 엄격한 물리적 요구사항과 정밀한 힉스 자기결합 상수 측정을 충족함을 입증한다. 특히 입자 흐름 알고리즘과 트래커 데이터와의 조합에서 뛰어난 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

The future proton-proton collider (FCC-hh) will deliver collisions at a center of mass energy up to $\sqrt{s}=100$ TeV at an unprecedented instantaneous luminosity of $L=3~10^{35}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$, resulting in extremely challenging radiation and luminosity conditions. By delivering an integrated luminosity of few tens of ab$^{-1}$, the FCC-hh will provide an unrivalled discovery potential for new physics. Requiring high sensitivity for resonant searches at masses up to tens of TeV imposes strong constraints on the design of the calorimeters. Resonant searches in final states containing jets, taus and electrons require both excellent energy resolution at multi-TeV energies as well as outstanding ability to resolve highly collimated decay products resulting from extreme boosts. In addition, the FCC-hh provides the unique opportunity to precisely measure the Higgs self-coupling in the di-photon and b-jets channel. Excellent photon and jet energy resolution at low energies as well as excellent angular resolution for pion background rejection are required in this challenging environment. This report describes the calorimeter studies for a multi-purpose detector at the FCC-hh. The calorimeter active components consist of Liquid Argon, scintillating plastic tiles and Monolithic Active Pixel Sensors technologies. The technological choices, design considerations and achieved performances in full Geant4 simulations are discussed and presented. The simulation studies are focused on the evaluation of the concepts. Standalone studies under laboratory conditions as well as first tests in realistic FCC-hh environment, including pileup rejection capabilities by making use of fast signals and high granularity, have been performed. These studies have been performed within the context of the preparation of the FCC conceptual design reports (CDRs).

연구 동기 및 목표

• √s = 100 TeV 및 L = 3×10^35 cm⁻²s⁻¹ 조건에서 FCC-hh 콜라이더의 엄격한 성능 요구사항을 충족할 수 있는 캘리메터 시스템을 설계하는 것.
• 고중첩 및 방사선 환경에서 LAr, Tile, MAPS 기술의 독립적 및 통합 성능을 평가하는 것.
• 다수 테라전자볼트 스케일에서 광자 및 전자에 대해 1% 미만의 에너지 해상도와 제트에 대해 10% 미만의 에너지 해상도를 달성할 수 있는지의 타당성을 입증하는 것.
• 미래 기술 설계를 위한 최적의 검출기 구성 및 기술 개발 방향을 규명하는 것.
• 고해상도 및 고지표성의 특성을 통해 이광자 및 b-제트 최종 상태에서 힉스 자기결합 상수의 정밀 측정을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 방사선 효과 및 중첩 조건을 포함한 FCC-hh 검출기 환경을 전체 Geant4 시뮬레이션으로 모델링하는 것.
• 하이브리드 캘리메터 설계를 적용: 벨러 및 엔드캡에서는 Pb-강 기반의 LAr와 흡수재를 사용하고, 벨러 및 확장 벨러에서는 스테인리스강/铅 기반의 발광성 타일과 흡수재를 사용하며, 향전 영역에서는 LAr/Cu를 사용하는 것.
• 공간 해상도 및 시간 해상도 향상을 위해 MAPS 및 SiPMs를 활용한 고지표성 독출 방식을 적용하는 것.
• 딥 뉴럴 네트워크 및 클러스터링 알고리즘(슬라이딩 윈도우 및 토폴로지 클러스터링)을 활용한 입자 흐름 재구성 방법을 구현하는 것.
• 전자기적 노이즈 및 중첩 기여도를 모델링하고, 상류 물질 및 의사속도도 영향을 보정하는 기법을 적용하는 것.
• 히긴스 자기결합 및 공명 탐색과 같은 벤치마크 물리 채널을 사용하여 성능을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 극한의 중첩 조건에서 100 TeV 중심질량 에너지에서 LAr 기반 전자기 캘리메터가 광자 및 전자에 대해 1% 이하의 에너지 해상도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 다수 테라전자볼트 에너지에서 매우 충격적인 제트를 해상도 있게 분리하기 위해, 탄성 및 횡방향 분할의 최적 구성은 무엇인가?
• RQ3 고지표성 캘리메터 데이터와 결합했을 때 딥 러닝이 에너지 재구성 및 중첩 억제에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 LAr 및 Tile 캘리메터의 방사선 내성 및 신호 선형성은 FCC-hh 환경에서 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 LAr, Tile, MAPS 기술을 융합한 하이브리드 캘리메터 시스템이 정밀한 힉스 결합 상수 측정을 위한 요구되는 해상도 및 지표성 수준을 충족할 수 있는가?

주요 결과

• 최대 중첩 조건에서도 LAr 캘리메터는 100 TeV에서 광자 및 전자에 대해 1% 이하의 에너지 해상도를 확보한다.
• 제안된 캘리메터 시스템은 다수 테라전자볼트 스케일에서 제트의 에너지 해상도가 10% 이하로 정밀하게 재구성할 수 있다.
• 고지표성 캘리메터 데이터와 결합한 딥 뉴럴 네트워크는 에너지 재구성 및 중첩 억제 성능을 크게 향상시킨다.
• 고자기장(4 T) 및 고중첩 환경에서 최적의 성능을 달성하기 위해 트래커 및 캘리메터 데이터의 입자 흐름 알고리즘 통합이 필수적이다.
• 전자기적 노이즈 및 중첩 노이즈에 대해 뛰어난 내구성을 보이며, 상류 물질 및 의사속도도 영향에 대한 효과적인 보정 기법이 적용된다.
• wolfram 흡수재를 사용한 Si 센서 기반의 대안 설계는 더 높은 지표성 및 더 나은 트래커 통합 가능성을 보이며, 독립적 성능는 略로 감소할 수 있다.