[論文レビュー] Status of Dual-readout R&D for a linear collider in T1015 Collaboration

Corrado Gatto, Valerio Benedetto+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2016

Particle Detector Development and Performance参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、T1015共同研究グループが開発を進めるADRIANO、いわゆる統合型アクティブな二重読み出し方式コメータメータの研究開発進捗を提示する。この装置は高透過率の重金属ガラスとシンチレーティングファイバーを用い、30%/√E未満のハドロンエネルギー分解能を達成することを目的としている。チェレンコフ光とシンチレーション光を同時に測定することで、従来のサンプリング型コメータメータの限界を克服し、実験ビームによる検証でチェレンコフ光の発光量が30%/√Eの分解能に十分であることが確認され、新開発の高密度ガラスプロトタイプからも前向きな結果が得られている。

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.

研究の動機と目的

• 将来の線形衝突機器において、WおよびZボソンを区別できる超高性能ハドロンエネルギー分解能（σ(E)/E ≈ 30%/√E）を達成する必要性に対応する。
• 従来のコメータメータで見られる電磁的領域による分解能の低下を是正する。
• サンプリングのフラクチュエーションやe/h応答の不一致を回避する統合型アクティブ二重読み出し技術を開発する。
• 1つの非セグメンテッド検出器を用いて、ハドロンおよび電磁粒子の両方の高分解能エネルギー測定を実現する。
• チェレンコフ光発光量を最大化し、信号間のクロストークを最小限に抑えるために、検出器のレイアウトと材料を最適化する。

提案手法

• 高密度で光学用の重金属ガラスを吸収体およびチェレンコフ放射体として用い、荷電粒子が通過する際にチェレンコフ放射により光を発生させる。
• ガラスに密着して配置されたシンチレーティングファイバーを統合し、シンチレーション光を発生させる。光の分離はコーティングやテフロン層により実現する。
• SiPMを用いて光を読み取り、高レート環境に耐えうるコンactで放射線に強く、小型のフロントエンド電子回路を実現する。
• 光のクロストークを最小限に抑えるために、ホワイト、シルバー、アルミのコーティングおよび高精度成形の溝を用いる。
• モンテカルロシミュレーションを用いてシャワーの発展をモデル化し、検出器の幾何形状および材料組成を最適化する。
• フェルミラブのテストビーム施設（FTBF）でテストビームを実施し、チェレンコフ光発光量とプロトタイプモジュールのエネルギー分解能を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高密度ガラスとシンチレーティングファイバーを用いた統合型アクティブ二重読み出し方式コメータメータは、σ(E)/E ≈ 30%/√Eのハドロンエネルギー分解能を達成できるか？
• RQ2 高透過率・高密度ガラスからのチェレンコフ光の利用は、従来のサンプリング技術と比較して分解能を顕著に向上させるか？
• RQ3 コーティング、テフロン、溝を用いた光学的分離技術は、コンactモジュールにおけるシンチレーション光とチェレンコフ光のクロストークを効果的に低減できるか？
• RQ4 チェレンコフ光発光量はガラスの密度および屈折率にどのように依存するか？また、全電磁粒子検出に十分な発光量を提供できるか？
• RQ5 SiPMベースの読み取り方式は、1つの検出器でハドロンおよび電磁シャワーの両方に対して十分なダイナミックレンジと線形性を提供できるか？

主な発見

• 2014Aおよび2014Bプロトタイプで、ADRIANOプロトタイプは1GeVあたり最大4,000個の光電子のチェレンコフ光発光量を達成し、30%/√Eのエネルギー分解能に十分な水準に到達した。
• FTBFでのテストビームにより、Schott SF57HHTガラス（5.6 g/cm³、n=1.8）からのチェレンコフ光発光量が、構成に応じて354～4,000 pe/GeVに達することが確認された。
• Ohara社のヒスチジウムガラス（6.6 g/cm³、n=2.0）および実験的超高密度ガラス（7.54 g/cm³、n=2.24）の使用により、光発光量と材料密度が顕著に向上した。
• シルバー被膜ファイバーとテフロン層による光学的分離により、シンチレーション光とチェレンコフ光のクロストークが低減され、信号純度が向上した。
• モンテカルロシミュレーションの結果、ベースラインADRIANO設計は200 GeVまで線形応答を示し、σ(E)/E ≈ 30%/√Eの分解能を達成することが示された。
• 2014Bプロトタイプは最適化された幾何形状と高密度ガラスを採用し、1GeVあたり338 pe/GeVの光発光量を示し、将来的な高分解能応用に向けた可能性を示した。