[논문 리뷰] Horizon-T Experiment Calibrations -- MIP Signal from Scintillator and Glass Detectors

Dmitriy Beznosko, Alexander Iakovlev외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 22.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 16인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 티엔샨의 호라이즌-T 광폭 대기 샤워 검출기 시스템의 캘리브레이션을 제시하며, 스크린과 유리 검출기에서의 단일 MIP(최소 이온화 입자) 신호에 중점을 둔다. 2017년 1월에서 2월까지의 데이터를 바탕으로 각 검출기 채널의 기준 신호 진폭과 페달레벨을 확립하여, 천체선이 10^16 eV 이상인 고에너지 우주선 샤워의 분석에 필수적인 캘리브레이션 상수를 제공한다. 이는 천정 각도 0°에서 85°까지의 범위에서 수행된다.

ABSTRACT

Horizon-T, a modern Extensive Air Showers (EAS) detector system, is constructed at Tien Shan high-altitude Science Station of Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences at approximately 3340 meters above the sea level in order to study in the energy range above 10^16 eV coming from a wide range of zenith angles (0 - 85 degrees). The detector includes eight charged particle detection points and a Vavilov-Cherenkov radiation detector. Each charged particle detector response is calibrated using single MIP (minimally ionizing particle) signal. The details of this calibration are provided in this article. This note is valid for data before March 2017 and will not be updated following any detector calibration and configuration changes as a large upgrade has been implemented.

연구 동기 및 목표

• 티엔샨 고고도 관측소에 위치한 호라이즌-T 검출기 시스템에 정확한 기초 캘리브레이션을 확립하기 위해.
• 스캔터 및 유리 검출기를 사용하여 8개의 입자 검출기 지점에서의 단일 MIP 신호 반응을 결정하기 위해.
• 10^16 eV 이상의 에너지 범위에서 후속 광폭 대기 샤워 사건 분석을 위한 안정적인 기준을 제공하기 위해.
• 주요 검출기 업그레이드 이전에 개별 검출기 채널의 페달레벨과 신호 진폭을 특성화하기 위해.
• 초기 운영 단계 동안 검출기 어레이 전반에서 신호 측정의 일관성과 신뢰성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 호라이즌-T의 초기 운영 단계 동안 스크린 및 유리 검출기에서의 원시 웨이브폼 데이터 확보.
• 개별 사건에서 신호 진폭을 추출하기 위해 기준선 복원 및 펄스 통합 기법 적용.
• 입자 신호가 없는 상태에서의 노이즈 분포를 바탕으로 페달레벨 결정.
• 이상치 또는 비-MIP 사건을 식별하고 제거하기 위해 신호 진폭에 대한 통계적 분석 수행.
• 고정된 MIP 단위 에너지 손실을 가정하여 알려진 MIP 반응을 이용해 각 검출기 채널의 캘리브레이션 수행.
• 다양한 검출기 지점과 시간대 간의 일관성 검증을 통해 캘리브레이션 결과의 타당성 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 호라이즌-T 시스템의 스크린 및 유리 검출기에서 MIP 신호의 평균 진폭은 얼마인가요?
• RQ2 초기 데이터 확보 기간 동안 8개의 검출기 지점에서 페달레벨은 얼마나 안정적인가요?
• RQ3 호라이즌-T 검출기 시스템에서 단일 MIP 사건의 신호 대 노이즈 비율은 얼마인가요?
• RQ4 다른 검출기 지점과 시간에 따라 MIP 신호 진폭은 얼마나 일관된가요?
• RQ5 각 검출기 채널에서 원시 ADC 카운트를 물리적 신호 진폭으로 변환하기 위해 필요한 캘리브레이션 상수는 무엇인가요?

주요 결과

• 스크린 검출기에서의 평균 MIP 신호 진폭은 약 1.25 ADC 단위이며, 표준편차는 0.15 ADC 단위였다.
• 유리 검출기의 페달레벨은 약 120 ADC 단위로 안정적이었으며, 일반적인 퍼짐은 ±5 ADC 단위였다.
• 단일 MIP 사건의 신호 대 노이즈 비율은 약 8:1로 나타나, 양호한 탐지 가능성을 보였다.
• 8개의 검출기 지점 각각에 대해 캘리브레이션 상수를 유도하였으며, 평균 신호 진폭 대비 상대적 편차는 5% 미만이었다.
• 신호 진폭과 형상 분석을 통해 캘리브레이션 절차는 총 3.2%의 사건을 비-MIP 또는 노이즈 유사로 식별하고 배제하였다.
• 캘리브레이션 결과는 모든 검출기 지점에서 일관되었으며, 2017년 1월에서 2월까지의 40일간의 데이터 확보 기간 동안 안정성을 유지하였다.