[論文レビュー] Development of High Granular Neutron Time-of-Flight Detector for the BM@N experiment

F. Guber, D. Finogeev+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2023

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、NICA施設のBM@N実験向けに、100–150 psの時間分解能とSiPM読み出しを備えた2000個のプラスチックシンチレーター素子を用いた高粒界の時間飛行型中性子検出器（HGND）の設計とシミュレーションを提示している。この検出器により、中性子のエネルギーと流れの高精度測定が可能となり、300–4000 MeVのエネルギー範囲で約50–60%の再構成効率と1–13%のエネルギー分解能を達成する。これにより、高密度核物質における対称性エネルギーを制約するための中性子方位流れの高精度な研究が可能となる。

ABSTRACT

The HGND (High Granular Neutron Detector) is developed for the BM@N (Baryonic Matter at Nuclotron) experiment on the extracted beam of the Nuclotron at JINR, Dubna. The HGND will be used to measure the azimuthal flow of neutrons produced with energies ranging from 300 to 4000 MeV in heavy-ion collisions at beam energies of 2--4 AGeV. The azimuthal flow of charged particles will be measured using the BM@N magnet spectrometer. The data on the azimuthal flow of neutrons will shed light on the study of the high-density Equation of State (EoS) of isospin-symmetric nuclear matter, which is crucial for studying astrophysical phenomena such as neutron stars and their mergers. The HGND has a highly granular structure with approximately 2000 plastic scintillation detectors (cells), each measuring 4$ imes$4$ imes$2.5 cm$^3$. These detectors are arranged in 16 layers, with 121 detectors in each layer, and are subdivided by copper absorber plates with a thickness of 3 cm. The light from each cell is detected with SiPM (Silicon Photomultiplier) with an active area of 6$ imes$6 mm$^2$. Developed multi-channel TDC board based on the Kintex FPGA chip with a bin width of 100 ps will be used to perform precise timestamp and amplitude measurement using Time-over-Threshold (ToT) method. Good spatial resolution due to the high granularity together with a cell's time resolution of 100-150 ps ensures neutron reconstruction with good energy resolution. The design of the detector as well as the results from test measurements and simulations have been presented.

研究の動機と目的

• 2–4 AGeVのビームエネルギーにおける重イオン衝突における中性子の方位流れを測定し、高密度核物質における対称性エネルギーを探る。
• 高密度環境下でも高い時間分解能とエネルギー分解能を備えた、中性子の同定と再構成が可能なコンactな高粒界中性子検出器の開発。
• 300–4000 MeVのエネルギー範囲における中性子エネルギーと流れの高精度な測定を可能にし、等スピン対称核物質の状態方程式を制約する。
• 対称性エネルギー項の実験的制約を改善することで、将来の中性子星の性質や中性子星合体のダイナミクスに関する研究を支援する。

提案手法

• HGNDは、16層にわたる121個のプラスチックシンチレーター素子（4×4×2.5 cm³）を2000個のアレイとして配置し、背景抑制のための3 cmの銅吸収板を層間に設置している。
• 各素子は6×6 mm²のSiPMで読み出され、広動態範囲と高速信号処理が可能となる。
• Kintex FPGAチップを基盤とする独自のマルチチャネルTDCボードにより、100 psの時間チャンクが実現され、時間幅測定（ToT）法を用いた正確なタイムスタンプと振幅測定が可能となる。
• 中性子エネルギーは、最初に発火した素子からの時間飛行を用いて再構成され、時間遅れと分解能効果を考慮したシミュレーションが実施されている。
• 主な中性子のシミュレーションは、多重度=1を仮定し、150 psの時間分解能と3 MeV（1/2 MIP）のエネルギー損失しきい値を設定して実施されている。
• 多重中性子イベントにおける主な中性子同定を向上させるために、機械学習手法とクラスタベースのセル発火解析が開発中である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高粒界の中性子時間飛行検出器は、300–4000 MeVのエネルギー範囲で十分な時間分解能とエネルギー分解能を達成し、高い効率で中性子エネルギーを再構成できるか？
• RQ2 100–150 psの検出器時間分解能が、エネルギースペクトル全体にわたる中性子エネルギー再構成の正確性と分解能に与える影響はいかほどか？
• RQ3 背景と多重中性子多重度を伴う現実的な条件下で、主な中性子の検出効率とエネルギー分解能はどの程度達成可能か？
• RQ4 この検出器を用いて、高密度核物質における対称性エネルギーを制約するのに十分な中性子方位流れが測定可能か？
• RQ5 銅吸収板の導入が、多重度の高いイベントにおける背景抑制と中性子同定に与える影響は？

主な発見

• HGNDは、300 MeVで約1%、4 GeVで最大13%のエネルギー分解能を達成し、時間分解能は100 psである。
• 多重度=1のシミュレーションに基づき、300–4000 MeVのエネルギー範囲で50–60%の再構成効率が推定されている。
• シミュレーションでは、再構成エネルギースペクトルが主な中性子スペクトルとよく一致しており、時間飛行再構成法の妥当性が裏付けられている。
• ビームレート5×10⁵ Hzの条件下で、検出器は月間約10⁹個の主な中性子を蓄積できる見込みであり、高精度な流れ測定が可能となる。
• 最初に発火した素子の時間はエネルギー再構成に十分であり、150 psの時間分解能でもこの手法は頑健である。
• 今後の作業として、多重中性子イベントにおける主な中性子同定を向上させるためのクラスタベースおよび機械学習ベースの手法の開発が進められている。