[논문 리뷰] Status of Dual-readout R&D for a linear collider in T1015 Collaboration

Corrado Gatto, Valerio Benedetto외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 02.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 T1015 협업팀이 고투과성 고밀도 유리와 형광 섬유를 사용하여 하향 에너지 해상도가 30%/√E 이하인 새로운 통합형 활성 双독출 캘로리미터인 ADRIANO의 개발 진척 상황을 제시한다. 동시에 츄레노프 빛과 형광 빛을 측정함으로써 전통적인 샘플링 캘로리미터의 한계를 극복하며, 시험 비드를 통해 츄레노프 빛의 수확이 30%/√E 해상도에 충분함을 확인하고, 새로운 고밀도 유리 프로토타입에서 유망한 결과를 얻었다.

ABSTRACT

The hadronic energy resolution required for an hadronic operating at lepton collider is at the limits or even exceeds that obtained with traditional techniques. Furthermore, it is a well established fact that the presence of an electromagnetic section in front of an hadron calorimeter, as occurs in the layouts of the majority of detectors operating at a collider, would deteriorate the hadronic energy resolution of the device. The novel $ADRIANO$ technology ( extit{A Dual-readout Integrally Active Non-segmented Option}), currently under development at Fermilab, overcomes the above limitations by complementing an integrally active calorimeter with the dual-readout technique. Detailed Monte Carlo studies indicate that the energy resolution is in the $25\%/\sqrt{E}$ - $38\%/\sqrt{E}$ interval with a linear response of the detector up to an energy of 200 GeV. A baseline configuration is chosen with an estimated energy resolution of $\sigma(E)/E\approx30\%/\sqrt{E}$. Several prototypes have been built by extit{T1015} Collaboration at Fermilab, to explore the effect of modifications of the layout from the baseline configuration. Preliminary results from several test beams at the extit{Fermilab Test Beam Facility} (FTBF) of $\sim1\lambda_{I}$ prototypes are presented. Future prospects with ultra-heavy glass are, also, summarized.

연구 동기 및 목표

• 미래의 선형 충돌기에서 W 및 Z 보손을 구별하기 위해 초고해상도의 양성자 에너지 해상도(σ(E)/E ≈ 30%/√E)가 필요하다는 문제를 해결한다.
• 기존 캘로리미터에서 전자기 섹션으로 인한 해상도 저하 문제를 해결한다.
• 샘플링 변동성과 e/h 반응 불일치 문제를 피하는 통합형 활성 이중독출 기술을 개발한다.
• 단일의 분할되지 않은 검출기로 하향입자와 전자기 입자 양자 모두 고해상도 에너지 측정을 실현한다.
• 츄레노프 빛 수확을 극대화하고 신호 간 교차 간섭을 최소화하기 위해 검출기 레이아웃과 재료를 최적화한다.

제안 방법

• 고밀도, 광학 등급의 고밀도 유리를 충돌입자가 통과할 때 츄레노프 복사에 의해 빛을 생성하는 투과체이자 츄레노프 방사체로 사용한다.
• 유리와 밀착된 형광 섬유를 통합하여 형광 빛을 생성하며, 코팅 또는 테프론 층을 통해 츄레노프 빛과 광학적으로 분리한다.
• SiPM을 사용해 빛을 읽어내어 고속 환경에 적합하고 컴act하며 방사선에 강한 프론트엔드 전자기기를 실현한다.
• 백색, 은색 또는 알루미늄 코팅과 정밀 성형된 홈을 사용해 형광 빛과 츄레노프 빛 신호 간의 광학적 교차 간섭을 최소화한다.
• 쇼워 발달을 모델링하고 검출기 기하학 및 재료 조성을 최적화하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 적용한다.
• 프로토타입 모듈의 츄레노프 빛 수확과 에너지 해상도를 측정하기 위해 페르미랩의 시험비드 시설(FTBF)에서 시험 비드를 실시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고밀도 유리와 형광 섬유를 사용한 통합형 활성 이중독출 캘로리미터가 σ(E)/E ≈ 30%/√E 수준의 하향 에너지 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 고투과성 고밀도 유리에서 발생하는 츄레노프 빛이 기존 샘플링 기술에 비해 해상도 향상에 뚜렷한 기여를 할 수 있는가?
• RQ3 코팅, 테프론, 홈 등의 광학적 분리 기술이 컴act한 모듈에서 형광 빛과 츄레노프 빛 신호 간의 교차 간섭을 효과적으로 줄일 수 있는가?
• RQ4 츄레노프 빛 수확은 유리의 밀도와 굴절률에 따라 어떻게 변화하며, 이를 통해 전체 전자기 입자 검출이 가능할 수 있는가?
• RQ5 SiPM 기반 읽기 시스템이 단일 검출기에서 하향 및 전자기 쇼워에 대해 충분한 다이내믹 레인지와 선형성을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 2014A 및 2014B 프로토타입에서 ADRIANO 프로토타입은 1 GeV당 최대 4,000개의 광전자를 기록하여 30%/√E 에너지 해상도에 충분한 츄레노프 빛 수확을 달성했다.
• FTBF에서 실시한 시험 비드 결과, 샤프트 SF57HHT 유리(5.6 g/cm³, n=1.8)에서 츄레노프 빛 수확이 구성에 따라 354–4,000 pe/GeV에 이르렀다.
• 오하라의 비스무트 유리(6.6 g/cm³, n=2.0)와 실험용 초고밀도 유리(7.54 g/cm³, n=2.24)를 사용함으로써 빛 수확과 재료 밀도가 크게 향상되었다.
• 銀 코팅된 섬유와 테프론 층을 사용한 광학적 분리 기술이 형광 빛과 츄레노프 빛 신호 간의 교차 간섭을 감소시켜 신호 순도를 향상시켰다.
• 몬테카를로 시뮬레이션 결과, 기본 ADRIANO 설계는 200 GeV까지 선형 반응을 보이며 σ(E)/E ≈ 30%/√E 해상도를 달성한다.
• 최적화된 기하학과 고밀도 유리를 사용한 2014B 프로토타입은 338 pe/GeV의 빛 수확을 기록하여 향후 고해상도 응용에 기여할 수 있다.