[논문 리뷰] First performance studies of a prototype for the CASTOR forward calorimeter at the CMS experiment

X. Aslanoglou, A. Cyz외 7명|ArXiv.org|2007. 06. 17.

Radiation Detection and Scintillator Technologies참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 CERN/SPS에서 실시한 전자 빔 테스트를 통해 LHC의 CMS 실험에서 사용하기 위한 CASTOR 후방 캘로리미터의 프로토타입에 대한 최초의 성능 연구를 제시한다. 다양한 규소- wolfram 샘플링 캘로리미터 구성 요소의 성능을 평가하기 위해 실시된 실험에서 핵심 발견은, 규소 판재가 규소 섬유보다 높은 광출력과 유사한 에너지 해상도(80 GeV에서 약 2%)를 제공하며, 거울 반사체로 유리 반사체가 알루미늄 호일 반사체보다 더 우수한 성능을 보임을 확인하였다. 이는 최종 검출기 설계에 있어 규소 판재와 APDs를 유망한 옵션으로 지지한다.

ABSTRACT

We present results on the performance of the first prototype of the CASTOR quartz-tungsten sampling calorimeter, to be installed in the very forward region of the CMS experiment at the LHC. This study includes GEANT Monte Carlo simulations of the Cherenkov light transmission efficiency of different types of air-core light guides, as well as analysis of the calorimeter linearity and resolution as a function of energy and impact-point, obtained with 20-200 GeV electron beams from CERN/SPS tests in 2003. Several configurations of the calorimeter have been tested and compared, including different combinations of (i) structures for the active material of the calorimeter (quartz plates and fibres), (ii) various light-guide reflecting materials (glass and foil reflectors) and (iii) photodetector devices (photomultipliers and avalanche photodiodes).

연구 동기 및 목표

• LHC의 CMS 실험에서 사용하기 위한 CASTOR 후방 캘로리미터 프로토타입의 다양한 구성 요소의 성능을 평가하기 위해.
• 캘로리미터의 활성 재료로 사용되는 규소 판재와 규소 섬유의 광출력, 에너지 해상도 및 선형도를 비교하기 위해.
• 빛 도파이버의 반사체 유형(유리 대 호일)과 광검출기 장치(PMT 대 APD)가 캘로리미터 반응에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 매우 전방 영역(5.2 < η < 6.6)에서 고해상도와 균일성을 확보하기 위한 최적의 검출기 기하학 및 구성 요소 선택을 결정하기 위해.
• 빔 테스트 결과와 GEANT4 시뮬레이션을 바탕으로 최종 CASTOR 캘로리미터 설계의 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 20–200 GeV 전자 빔을 사용하여 CERN SPS에서 프로토타입 캘로리미터의 다양한 구성에 대해 빔 테스트를 실시하였다.
• GEANT4 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 다양한 공기 핵심 빛 도파이버 기하학 및 반사체 유형을 통한 체렌코프 빛 전송 효율을 모델링하였다.
• 다음 조합을 포함한 4개의 올라운드 읽기 유닛을 테스트하였다: (1) 규소 판재 또는 섬유 활성 재료, (2) 빛 도파이버에 부착된 유리 또는 호일 반사체, (3) 하마마츠 PMT 또는 압전 광다이오드(APD)를 광검출기로 사용하였다.
• 빔 에너지 및 각 섹터(S1, J1, J2)의 충격점에 따른 캘로리미터의 선형도, 에너지 해상도 및 반응 균일도를 측정하였다.
• 캘로리미터 중심으로부터의 반경 방향 거리에 따른 반응 의존성 분석 및 인접한 섹터 간의 교차 간섭 및 누설을 평가하였다.
• 빛 도파이버 설계를 최적화하기 위해 3개의 매개변수를 사용하였다: 섬유의 NA, 빛 도파이버 길이(lg), 모드 수(lm)를 조절하여 효율성과 균일성을 극대화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 활성 재료 선택(규소 판재 대 규소 섬유)이 CASTOR 프로토타입의 광출력과 에너지 해상도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 공기 핵심 빛 도파이버에서 체렌코프 빛 전송에 있어 유리 반사체와 호일 반사체의 상대적 성능은 어떠한가?
• RQ3 광검출기 유형(PMT 대 APD)이 프로토타입에서 에너지 해상도와 선형도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 빔의 충격점이 캘로리미터 반응과 해상도에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 어떤 빛 도파이버 기하학 및 반사체 구성이 가장 높은 빛 전송 효율성과 균일성을 제공하는가?

주요 결과

• 동일한 효과 두께를 가진 경우 규소 판재는 규소 섬유보다 약 10–15% 더 높은 광출력을 생성하였으며, 에너지 해상도는 유사하였다.
• 규소 판재에 유리 반사체와 하마마츠 PMT를 사용할 경우 80 GeV 전자에서 상대적 에너지 해상도는 약 2%였고, 호일 반사체를 사용할 경우 약 3.5–4.0%였다.
• 동일한 PMT와 유리 반사체를 사용할 경우, 규소 판재 및 섬유 구성 모두에서 고에너지 영역에서의 고정항(p₀)은 1% 미만이었으며, 이는 고에너지에서의 내재적 해상도 열화가 낮음을 시사한다.
• 확률적 항(p₁)은 규소 판재의 경우 36%, 섬유의 경우 46%였으며, 이는 판재에서 더 우수한 해상도 균일성을 의미한다.
• APDs는 광검출기로서의 잠재력을 보였지만, 방사선 내성, 냉각 및 전압 안정화를 위한 추가 테스트가 필요하다.
• 경계선에서 8 mm 이상 떨어진 충격점에서는 섹터 간 누설이 무시할 만큼 작았으며, 가장자리에서 3 mm 이내의 점에서는 반응과 해상도가 떨어졌다.