[논문 리뷰] Study of the PICOSEC-Micromegas Detector with Test Beam Data and Phenomenological Modelling of its Response

K. Paraschou|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 26.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 학위논문은 광막을 통해 전자를 증폭시키는 Cherenkov 기반 기체 충진형 입자 검출기인 PICOSEC-Micromegas 검출기의 초고속 타이밍 측정을 위한 성능을 조사한다. 시험 비드 데이터와 현상학적 시뮬레이션을 통해 10.4개의 광전자당 24 ps의 기록적인 시간 분辩도를 달성하였으며, 기체 증폭 단계에서 이온화 이전과 이후의 전자 이동 속도 차이로 인한 '타임 워크(time walk)' 효과를 기인하였다.

ABSTRACT

In this work, a part of the Research and Development effort of the PICOSEC detector is presented. The PICOSEC detector is a novel gas-filled detector, based on the Micromegas detector, which has been developed by the RD-51 PICOSEC collaboration. Instead of relying on traditional direct ionization, the PICOSEC detector takes advantage of the prompt timing characteristics of Cherenkov radiation by converting the Cherenkov photons into electrons through the use of a photocathode. The detector has been put into two type of tests where experimental data are collected. One involves a laser beam and a single photoelectron response at CEA-SACLAY, while the other involves a test beam of 150 GeV muons at the CERN SPS H4 secondary beamline, with multiple photoelectrons. The methods employed in the statistical analysis of the detector's timing properties are summarized and in their application an optimal time resolution of 76 ps is achieved for single photoelectrons. A strange dependence of the mean timing on the size of the electron peak is observed, which mimics the behaviour of the "time walk" effect. A simulation of the detector is developed to study the timing properties, which is also the main scope of the thesis. After a detailed investigation, it is found that the electrons in the gaseous mixture move with a different drift velocity before and after the first multiplication, introducing this "time walk" effect, and a phenomenological explanation of this effect is provided. Finally, a maximum likelihood statistical method for the estimation of the mean number of photoelectron extracted per particle is developed and an optimal time resolution of 24 ps is achieved with a mean number of photoelectrons per particle equal to 10.4. In this work, a deep understanding is acquired on a new detector which has brought upon unprecedented results in the field of gas-filled detectors.

연구 동기 및 목표

• PICOSEC-Micromegas 검출기의 타이밍 응답을 이해하고 최적화하기 위해, 광막 촉발 전자 증폭 기능을 갖춘 새로운 Cherenkov 기반 기체 검출기의 특성을 연구한다.
• CEA-Saclay(레이저) 및 CERN SPS(150 GeV 뮤온)에서의 시험 비드 데이터를 분석하여 시간 분辩도와 광전자 피크 특성 정보를 추출한다.
• 관측된 타이밍 왜곡, 특히 '타임 워크' 효과를 재현하고 설명할 수 있는 현상학적 시뮬레이션 모델을 개발한다.
• 광전자 수의 평균값을 모델링하고 통계적 추정 방법을 최적화하여 시간 분辩도를 향상시킨다.
• 향후 검출기 설계 및 고정밀 타이밍 기반 입자 검출의 새로운 응용을 위한 기초를 제공한다.

제안 방법

• CEA-Saclay 및 CERN SPS에서의 레이저 및 뮤온 시험 비드에서 유도된 단일 및 다중 광전자 신호에 대한 통계적 분석을 수행한다.
• 측정된 신호 분포로부터 입자당 평균 광전자 수를 결정하기 위해 최대우도추정법을 적용한다.
• 기체 혼합물 내 전자 이동 역학을 포함한 검출기의 타이밍 응답을 재현하는 현상학적 시뮬레이션 모델을 개발한다.
• 1차원 브라운 운동에 이동 성분을 포함한 모델링을 통해, 첫 번째 통과 시간 확률 밀도 함수(PDF)가 역가우시안 분포를 따른다.
• 첫 번째 이온화 번개 이후 전자 이동 속도의 변화를 반영하여 관측된 '타임 워크' 효과를 설명하기 위해, 이온화 이전과 이후의 전자 이동 속도 변화를 통합한다.
• 역가우시안 분포를 사용하여 전자 도착 시간의 산란 범위를 유도하며, 이는 이동 속도와 확산 계수에 따라 결정된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 광전자 신호를 사용할 경우 PICOSEC-Micromegas 검출기에서 달성 가능한 최적의 시간 분辩도는 무엇인가?
• RQ2 왜 전자 신호의 평균 타이밍이 전자 피크 크기에 따라 의존하는가? 이는 '타임 워크' 효과를 모방한다.
• RQ3 첫 번째 이온화 번개 이전과 이후의 전자 이동 속도 차이가 타이밍 왜곡에 어떤 기여를 하는가?
• RQ4 현상학적 시뮬레이션 모델이 관측된 타이밍 행동을 정확히 재현할 수 있는가?
• RQ5 입자당 평균 광전자 수가 10.4일 때 최대로 달성 가능한 시간 분辩도는 무엇인가?

주요 결과

• 시험 비드 데이터에서 단일 광전자 신호를 사용할 경우 최적의 시간 분辩도로 76 ps를 달성하였다.
• 의외로 전자 피크 크기에 따라 평균 타이밍이 변하는 현상이 관측되었으며, 이는 '타임 워크' 효과를 연상시켰다.
• '타임 워크' 효과는 증폭 영역에서 첫 번째 이온화 이후 전자 이동 속도 변화로 기인되었다.
• 시뮬레이션 모델은 타이밍 왜곡을 성공적으로 재현하였으며, 속도 변화는 비탄성 이온화 과정의 시작으로 인한 것으로 확인되었다.
• 최대우도추정법을 통해 입자당 평균 광전자 수가 10.4일 때 최적의 시간 분辩도 24 ps를 달성하였다.
• 역가우시안 분포 모델로부터 유도된 이론적 시간 산란 범위는 관측된 시간 분辩도와 일치하였으며, 이는 모델의 물리적 타당성을 검증하였다.