[論文レビュー] The AMS-02 RICH Imager Prototype - In-Beam Tests with 20 GeV/c per Nucleon Ions -

M. Buénerd, P. Aguayo+33 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2003

Particle Detector Development and Performance被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、CERNにおける20 GeV/c/核子のイオンを用いた、AMS-02宇宙ミッション用プロトタイプRICH（リングイメージング・チェレンコフ）検出器のビーム内テストを報告している。プロトタイプはナトリウムフルオライドおよびシリカエアロゲルを放射体とし、マルチアンプフォトマルチプライヤーを用いており、鉄（Z = 26）に対してσ(Z) ≈ 0.3の電荷分解能を達成した。これは宇宙線研究における同位体同定および速度測定の可能性を裏付け、軽いイオンでは1000分の1未満のβ分解能を実現した。

ABSTRACT

A prototype of the AMS Cherenkov imager (RICH) has been tested at CERN by means of a low intensity 20 GeV/c per nucleon ion beam obtained by fragmentation of a primary beam of Pb ions. Data have been collected with a single beam setting, over the range of nuclear charges 2

研究の動機と目的

• 実際のビーム条件下でのAMS-02 RICHイメージャープロトタイプの設計および性能を検証すること。
• Z ≈ 45までの重イオンについて、電荷（Z）および速度（β）分解能を測定すること。
• シリカエアロゲルおよびNaF放射体を用いたRICHカウンタの同位体同定能力を評価すること。
• 高Z領域における検出器ピクセルサイズが速度分解能に与える影響を評価すること。
• プロトタイプのデータを基に、運用用モデルの性能ベースラインを確立すること。

提案手法

• 96個の検出器セルを備えたプロトタイプRICHカウンタをCERNのSPSビーム施設でテストした。各セルには16アノードPMTと光波導マトリクスが搭載された。
• ビームは、20 GeV/c/核子のPbイオンのフラグメンテーションにより生成され、A/Z比が2から45までの二次イオンが得られた。
• チェレンコフ光子は、近接焦点幾何学を用い、NaF（n = 1.33）およびシリカエアロゲル（n = 1.03–1.05）を放射体として収集した。
• データ収集は1536チャンネルを読出し、4日間で500万イベントを記録したDAQシステムを用いた。
• 電荷および速度分解能は、リングイメージングパターンから抽出され、時間飛行（TOF）およびdE/dX測定と相関させた。
• 速度分解能は、σ(β) = 10⁻⁴√[(8.2)²/Z² + (1.2)²]としてモデル化され、定数項はピクセルサイズの制限に起因するとされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Z ≈ 26の鉄核に対して、RICHプロトタイプが達成可能な電荷分解能（σ(Z)）はどの程度か？
• RQ2 Z = 1からZ ≈ 45のイオンについて、速度分解能（Δβ/β）は核電荷Zにどのように依存するか？
• RQ3 シリカエアロゲルおよびNaF放射体を用いたRICHプロトタイプは、異なるZの同位体をどの程度区別できるか？
• RQ4 高Z領域で速度分解能が制限を受ける要因は何か？また、それはピクセルサイズの影響と整合的か？
• RQ5 宇宙線の運動量範囲A < 20、1 GeV/c < P/A < 12 GeV/cにおいて、プロトタイプは同位体同定に必要な性能を達成できるか？

主な発見

• 鉄（Z = 26）に対して、プロトタイプは設計見積もりとよく一致するσ(Z) ≈ 0.3の電荷分解能を達成した。
• 軽いイオン（Z = 1）の速度分解能はΔβ/β ≈ 10⁻³であり、宇宙線シミュレーションの予測と整合的であった。
• Z < 7の領域では、速度分解能がσ(β) ∝ Z⁻¹に比例して改善したが、Z > 25ではZに依存しない値（≈1.2 × 10⁻⁴）に飽和した。
• 高Z領域における観測された速度分解能は、光検出器平面のピクセルサイズに起因するものであり、σ(β) = 10⁻⁴√[(8.2)²/Z² + (1.2)²]としてモデル化された。
• Zが2から>45のイオンに対してチェレンコフリングが明確に観測され、Z = 1では平均4–7個の光子が発生し、高Zイオンでは数えきれないほどの光子が発生した。
• TOFおよびdE/dX測定との相関により、RICHの同位体同定能力が確認され、特に鉄領域で顕著であった。