[논문 리뷰] Development of High Granular Neutron Time-of-Flight Detector for the BM@N experiment

F. Guber, D. Finogeev외 12명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 18.

Atomic and Subatomic Physics Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 NICA 복합체의 BM@N 실험을 위해 고분해능 중성자 시간도래 검출기(HGND)의 설계 및 시뮬레이션을 제시한다. 2000개의 플라스틱 심층검출기 셀(100–150 ps 시간 해상도, SiPM 독출)를 사용하여 정밀한 중성자 에너지 및 유량 측정이 가능하다. 검출기는 300–4000 MeV 범위에서 약 50–60%의 재구성 효율성과 1–13%의 에너지 해상도를 확보하여 고정밀 중성자 방위 유량 측정을 가능하게 하며, 밀도 높은 핵물질에서 대칭 에너지를 제약하는 데 기여한다.

ABSTRACT

The HGND (High Granular Neutron Detector) is developed for the BM@N (Baryonic Matter at Nuclotron) experiment on the extracted beam of the Nuclotron at JINR, Dubna. The HGND will be used to measure the azimuthal flow of neutrons produced with energies ranging from 300 to 4000 MeV in heavy-ion collisions at beam energies of 2--4 AGeV. The azimuthal flow of charged particles will be measured using the BM@N magnet spectrometer. The data on the azimuthal flow of neutrons will shed light on the study of the high-density Equation of State (EoS) of isospin-symmetric nuclear matter, which is crucial for studying astrophysical phenomena such as neutron stars and their mergers. The HGND has a highly granular structure with approximately 2000 plastic scintillation detectors (cells), each measuring 4$ imes$4$ imes$2.5 cm$^3$. These detectors are arranged in 16 layers, with 121 detectors in each layer, and are subdivided by copper absorber plates with a thickness of 3 cm. The light from each cell is detected with SiPM (Silicon Photomultiplier) with an active area of 6$ imes$6 mm$^2$. Developed multi-channel TDC board based on the Kintex FPGA chip with a bin width of 100 ps will be used to perform precise timestamp and amplitude measurement using Time-over-Threshold (ToT) method. Good spatial resolution due to the high granularity together with a cell's time resolution of 100-150 ps ensures neutron reconstruction with good energy resolution. The design of the detector as well as the results from test measurements and simulations have been presented.

연구 동기 및 목표

• 2–4 AGeV의 비례 에너지에서의 무거운 이온 충돌에서 중성자의 방위 유량을 측정하여 고밀도 핵물질에서의 대칭 에너지를 탐구한다.
• 다수의 입자가 존재하는 환경에서 높은 시간 및 에너지 해상도로 중성자를 식별하고 재구성할 수 있는 컴act하고 고분해능 중성자 검출기를 개발한다.
• 300–4000 MeV 범위에서 중성자 에너지 및 유량을 정밀하게 측정하여, 이스피너 대칭 핵물질의 상태방정식을 제약하는 데 기여한다.
• 대칭 에너지 항에 대한 향상된 실험적 제약을 통해 향후 중성자별 성질 및 중성자별 융합의 역학에 대한 연구를 지원한다.

제안 방법

• HGND는 16층의 121개 플라스틱 심층검출기 셀(4×4×2.5 cm³)로 구성된 2000셀 어레이로, 배경을 억제하기 위해 층 간에 3cm 두께의 구리 흡수판을 배치한다.
• 각 셀은 6×6 mm²의 SiPM로 독출되어 높은 다이내믹 레인지와 빠른 신호 처리가 가능하다.
• Kintex FPGA 칩 기반의 고유한 다중채널 TDC 보드가 100 ps 시간 분할을 제공하며, 시간-초과 임계값(ToT) 방법을 통해 정밀한 타임스탬프 및 진폭 측정이 가능하다.
• 중성자 에너지는 첫 번째로 발사된 셀의 시간도래를 이용해 재구성되며, 시뮬레이션은 시간 지연 및 해상도 영향을 고려한다.
• 검출기 성능 평가를 위해 다중도가 1인 1차 중성자에 대한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였으며, 시간 해상도 150 ps 및 에너지 흡수 임계값 3 MeV(1/2 MIP)를 가정하였다.
• 다중 중성자 존재 조건에서 1차 중성자 식별을 향상시키기 위해 머신러닝 기법과 클러스터 기반 셀 발화 분석 기법을 개발 중이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고분해능 중성자 시간도래 검출기가 300–4000 MeV 범위에서 높은 효율성으로 중성자 에너지를 재구성할 수 있는 충분한 시간 및 에너지 해상도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 100–150 ps의 검출기 시간 해상도가 에너지 스펙트럼 전반에 걸쳐 중성자 에너지 재구성 정확도 및 해상도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 배경 및 다중 중성자 다중도 조건에서 실제 조건에서의 1차 중성자 탐지 효율성과 에너지 해상도는 얼마인가?
• RQ4 이 검출기를 통해 중성자 방위 유량을 얼마나 정밀하게 측정할 수 있으며, 고밀도 핵물질에서의 대칭 에너지를 제약하는 데 기여할 수 있는가?
• RQ5 구리 흡수판의 포함 여부가 다중도가 높은 사건에서 배경 억제 및 중성자 식별에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• HGND는 300 MeV에서 약 1%의 중성자 에너지 해상도와 4 GeV에서 최대 13%의 해상도를 확보하였으며, 시간 해상도는 100 ps이다.
• 다중도 = 1 조건에서의 시뮬레이션 기반으로 300–4000 MeV 에너지 범위 전반에서 중성자 재구성 효율성이 약 50–60%로 추정된다.
• 시뮬레이션 결과 재구성된 에너지 스펙트럼이 1차 중성자 스펙트럼과 밀접하게 일치함을 확인하여 시간도래 재구성 방법의 타당성을 검증하였다.
• 비율 5×10⁵ Hz 조건에서 월간 약 10⁹개의 1차 중성자를 누적할 것으로 예상되며, 이는 고정밀 유량 측정을 가능하게 한다.
• 첫 번째로 발사된 셀의 시간만으로도 에너지 재구성이 가능하며, 150 ps의 시간 해상도 조건에서도 이 방법이 강건함을 입증하였다.
• 향후 작업으로 다중 중성자 사건에서 1차 중성자 식별을 향상시키기 위해 클러스터 기반 및 머신러닝 기반 기법 개발을 진행할 예정이다.