[논문 리뷰] Test beam performance of a novel RICH detector with timing capabilities for the future ALICE~3 PID system at LHC

M. N. Mazziotta, L. Congedo외 10명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 18.

Radiation Detection and Scintillator Technologies인용 수 0

한 줄 요약

이 논문은 ALICE 3용 SiPM 기반 RICH 프로토타입의 빔 테스트 결과를 보고한다. 4.2 mrad 단일 광자 각 해상도와 두 타이밍 배열 간 상대 시간 해상도 약 46 ps, 대전하 입자 감지 효율 >99%.

ABSTRACT

The ALICE Collaboration is proposing a completely new apparatus, ALICE 3, for the LHC Run 5 and beyond. A key subsystem for charged particle identification will be a Ring-Imaging Cherenkov (RICH) detector consisting of an aerogel radiator and a photosensitive surface based on Silicon Photomultiplier (SiPM) arrays in a proximity-focusing configuration. A thin high-refractive index slab of transparent material (window), acting as a second Cherenkov radiator, is glued on the entrance face of the SiPM arrays to achieve precise charged particle timing. Requiring time matching between aerogel Cherenkov photon and track hits leads to an improvement of pattern recognition by discarding the uncorrelated SiPM dark count hits. In this work we present the current status of the R\&D performed for the ALICE 3 RICH detector prototype and the expected full scale system performance. A special focus will be given to the beam test results obtained with a small-scale prototype instrumented with various array of Hamamatsu SiPMs with pitches ranging from 1 to 3 mm. The Cherenkov radiator consisted of a 2 cm thick aerogel tile with a refractive index of 1.03 at 400 nm wavelength. For timing measurements SiPM arrays coupled with two different window materials (SiO$_2$ and MgF$_2$) were used. The prototype was successfully tested in beam test campaigns at the CERN PS T10 beam line. The data were collected with a complete chain of front-end and readout electronics based on the Petiroc 2A and Radioroc 2 together with a picoTDC to measure charges and times. We measured a charged particle detection efficiency above 99\% and a single photon angular resolution better than 4.2 mrad at the Cherenkov angle saturation with a time resolution better than 70 ps for charged particles.

연구 동기 및 목표

• 넓은 모멘텀 범위에 걸친 정확한 대전하 입자 식별 필요성에 대한 ALICE 3 PID 시스템의 필요성 동기화.
• 에어로젤 라디에이터와 SiPM 기반 광 검출기를 갖춘 근접 포커싱 RICH 프로토타입의 개발 및 테스트.
• RICH 광자 히트를 타이밍으로 구분하기 위한 비상관 배경 억제를 위한 타이밍 기능 시연.
• 빔 테스트에서 ALICE 3 bRICH 사양과의 프로토타입 성능 평가.

제안 방법

• 2 cm 에어로젤 라디에이터(n=1.03, 400 nm에서)와 SiPM 기반 광 검출 배열을 갖춘 프로토타입 RICH.
• 2023–2024년 CERN PS T10 빔 테스트에서 프로토타입은 1–3 mm 피치의 SiPM 배열과 두 가지 윈도 재질(SiO2 및 MgF2)을 보조 방사기로 사용.
• 전하와 도착 시간 측정을 위한 맞춤형 프런트 엔드 전자(2023년 Petiroc 2A; 2024년 Radioroc 2와 picoTDC)로 읽어들임.
• 타이밍 측정은 빔 라인을 따라 중앙 두 개의 SiPM 배열을 이용해 시간 차이(ToA/ToT) 기반 입자 타이밍을 가능하게 한다.
• 이벤트 선택은 aerogel Cherenkov 광자와 트랙 히트 간의 시간 매칭으로 비상관 백그라운드를 억제.
• 기하학적 재구성은 에어로젤 가운데 평면에서 방출되고 역전파되어 Cherenkov 각도(θ_ch)를 계산하는 가정.

Figure 1: Left: Beam test set-up at CERN PS T10 line on Sep/Oct, 2024. The beam enters from the right side. The two insets show and artist-view of the RICH prototype inside the cylinders. The black box in the set-up includes a X-Y fiber tracker module Mazziotta et al. ( 2022 ) . In the 2023 set-up,

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SiPM 기반 RICH를 근접 포커싱 구성으로 구현하여 2 cm 에어로젤 라디에이터를 사용할 때 ALICE 3 bRICH 각도 해상도 목표(포화 시 약 1.5 mrad)에 도달할 수 있는가?
• RQ2 타이밍을 위한 보조 윈도 방식을 추가했을 때 단일 광자 각도 해상도와 채널당 시간 해상도는 어느 정도 달성 가능한가?
• RQ3 타이밍 기반 히트 선택이 RICH 프로토타입에서 비상관 백그라운드를 얼마나 효과적으로 억제하는가?
• RQ4 10 GeV/c 빔 환경에서 전체 대전하 입자 검출 효율 및 타이밍 성능은 어떠한가?
• RQ5 프로토타입 성능은 ALICE 3 bRICH 기본 사양과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• Cherenkov 각에서 포화 상태일 때 단일 광자 각 해상도는 4.2 mrad이며 2 cm 에어로젤(n=1.03)에서 달성되었다.
• aerogel 광자와 트랙 히트 간의 시간 매칭으로 비상관 백그라운드 히트를 억제한다.
• 두 배열 간 상대 타이밍의 시간 해상도는 약 46 ps(sigma)로 112 ps의 FWHM 분포에서 얻어지며, 이는 단일 SiPM 채널당 약 30 ps에 해당한다.
• 검출된 대전하 입자 효율은 99%를 초과한다.
• aerogel에서의 양성자에 대한 Cherenkov 각도는 약 241.5 mrad 부근으로 재구성되며, 백그라운드 억제 후 명확한 피크가 나타난다.
• SiPM 피치(1–3 mm) 및 윈도 방사체(SiO2, MgF2)의 변화가 각도 및 타이밍 성능에 영향을 주지만 ALICE 3 bRICH 요구사항과 일치하는 범위로 남아 있다.

Figure 2: Test beam results achieved in 2024 for the negative charged beam at 10 GeV/ $\it{c}$ (mainly pions). Top: Cherenkov angle reconstruction as a function of the photon arrival times respect to the charged particle; Left bottom: Cherenkov angle distribution in a 10 ns time window; right bottom