[논문 리뷰] Development of a novel compact and fast SiPM-based RICH detector for the future ALICE 3 PID system at LHC

M. N. Mazziotta, A. R. Altamura외 13명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 18.

Radiation Detection and Scintillator Technologies인용 수 0

한 줄 요약

논문은 2 cm 에어로겔 래디에이터와 SiPM에 접착된 얇은 윈도우 래디에이터(MgF2 또는 SiO2)를 사용한 SiPM 기반의 근접 포커싱 RICH 프로토타입을 보고하며, ~4 mrad 단일 광자 각도 해상도와 M0와 M1 사이의 ~75 ps 상대 시간 해상도를 달성하고, ALICE3 유사 PID 요구사항에 대해 거의 100% 입자 탐지 효율을 가능하게 한다.

ABSTRACT

A dedicated R\&D is ongoing for the charged particle identification system of the \mbox{ALICE 3} experiment proposed for the LHC Run 5 and beyond. One of the subsystems for the high-energy charged particle identification will be a Ring-Imaging Cherenkov (RICH) detector. The possibility of integrating Cherenkov-based charged particle timing measurements is currently under study. The proposed system is based on a proximity-focusing RICH configuration including an aerogel radiator separated from a SiPM array layer by an expansion gap. A thin high-refractive index window of transparent material, acting as a second Cherenkov radiator, is glued on the SiPM array to enable time-of-flight measurements of charged particles by exploiting the yield of Cherenkov photons in the thin window. We assembled a small-scale prototype instrumented with different Hamamatsu SiPM array sensors with pitches ranging from 1 to 3 mm, readout by custom boards equipped with the front-end Petiroc 2A ASICs to measure charges and times. The primary Cherenkov radiator consisted of a 2 cm thick aerogel tile, while various window materials, including SiO$_2$ and MgF$_2$, were used as secondary Cherenkov radiators. The prototype was successfully tested in a campaign at the CERN PS T10 beam line with pions and protons. This paper summarizes the results achieved in the 2023 test beam campaign.

연구 동기 및 목표

• ALICE 3용 컴팩트하고 빠른 RICH 검출기의 통합 Cherenkov 타이밍 측정으로의 설계 진전.
• 에어로겔 래디에이터, SiPM 링 어레이, 고굴절 윈도우를 이용한 두 번째 래디에이터를 직접 결합한 근접 포커싱 RICH 구성 평가.
• SiPM 센서와 Petiroc 2A 프런트 엔드 읽out을 통한 입자 타이밍 능력 및 높은 Cherenkov 각 해상도 시연.
• ALICE 3 RICH 요구사항에 대한 검출기 성능 평가 및 향후 고에너지 물리학 및 우주 응용 분야에의 적합성 탐색

제안 방법

• 2 cm 두께의 에어로겔 래디에이터(n = 1.03 at 400 nm) 및 원형으로 배치된 여덟 개의 HPK S13552 어레이를 포함하는 소규모 프로토타입 구성.
• 1 mm 두께의 보조 래디에이터(MgF2 또는 SiO2)를 SiPM에 직접 연결하여 두 번째 Cherenkov 래디에이터를 타이밍 측정용으로 생성.
• Petiroc 2A ASIC(32-channel, 37 ps LSB TDC, 10-bit ADC)을 사용하는 커스텀 프런트 엔드 보드를 통해 SiPM 채널 신호를 마스터-슬레이브 구성으로 읽어들임.
• 광자 검출에 적합한 과전압 상태에서 작동시키고, 소음 및 습기 억제를 위해 검출부를 냉각 및 흐르게 하여 잡음 제거.
• 각 채널의 타이밍을 보정하고, 타임 워크 보정 적용, Snell의 법칙을 사용해 매질 간의 Cherenkov 광선 방향을 역방향으로 전파하여 각도 재구성.

Figure 1: Beam test set-up at CERN PS T10 line on Oct, 2023. The beam enters from the right side. The black boxes upstream and downstream the set-up include thin plastic scintillator tiles and two X-Y fiber tracker modules (T0 and T1) Mazziotta et al. ( 2022 ) .

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에어로겔 래디에이터 시스템에서 단일 광자당 약 4 mrad 이내의 Cherenkov 각도 해상도를 달성하는 컴팩트한 SiPM 기반 RICH 구성이 ALICE 3 요구사항과 경쟁력 있는 수준의 해상도를 제공할 수 있는가?
• RQ2 SiPM에 직접 연결된 얇은 고굴절 윈도우 래디에이터 층을 추가하는 것이 충분한 효율 및 시간 해상도를 가진 효과적인 charged-particle 타이밍을 제공하는가?
• RQ3 SiPM 기반 RICH 읽out과 함께 MgF2 또는 SiO2 윈도우 래디에이터를 사용했을 때 달성 가능한 입자 검출 효율 및 시간 해상도는 어떠한가?
• RQ4 현실적인 광전자 수를 고려했을 때 M0/M1 간의 시그널에서 프로토타입이 채널당 약 ~50 ps 및 M0와 M1 사이에서 ~75 ps의 시간 해상도를 제공할 수 있는가?]
• RQ5 key_findings':['단일 광자 Cherenkov 각도 해상도는 파이온과 프로톤에 대해 4 mrad보다 나은 값이 측정되었다.','M1과 M0 채널 간의 상대 시간 해상도는 약 75 ps에 도달했고, 이는 전자회로 및 SiPM 기여를 포함할 경우 채널당 대략 50 ps 이상에 상응한다.','SiPM 배열에 1 mm MgF2 또는 SiO2 윈도우를 접착한 상태에서 충분한 포에너지 개수(PEs)인 경우 입자 검출 효율이 거의 100%에 근접했다(예: M0 및 M1 모두에서 >15 PEs의 예시).','M0/M1 채널 간 상대 시간에 기반한 타임 워크 보정이 타이밍 성능을 향상시키고 TOF-like 측정의 견고함을 가능하게 했다.','CERN-PS T10에서 8 GeV/c 양자 빔(pions/protons) 및 10 GeV/c 음의 빔으로의 시험에서 제시된 SiPM 기반 RICH 개념의 ALICE 3 적용 가능성을 시사했다.','결과는 ALICE 3 RICH 요구사항과 호환되며 향후 다른 HEP 실험 및 우주 기반 검출기에도 적용 가능성을 시사한다.'],
• RQ6 table_headers: [],
• RQ7 table_rows: []

주요 결과

• Single-photon Cherenkov angle resolutions were measured better than 4 mrad for pions and protons.
• The relative time between M0 and M1 channels reached about 75 ps, implying roughly 50 ps or better per single SiPM channel when including electronics and SiPM contributions.
• Particle-detection efficiencies close to 100% were achieved with a 1 mm MgF2 or SiO2 window glued to the SiPM arrays.
• Time walk corrections based on relative M0/M1 timing improved timing performance.
• The results meet the ALICE 3 RICH requirements and support the approach for future high-energy physics and space applications.

Figure 2: CAD view of the RICH cylinder with the central upstream SiPM array M0, the aerogel tile, the SiPM linear ring arrays and the central downstream SiPM array M1.