[论文解读] A GEM-based Optically Readout Time Projection Chamber for charged particle tracking

V. C. Antochi, G. Cavoto+29 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2020

CCD and CMOS Imaging Sensors被引用 2

一句话总结

该论文提出LEMOn，一种基于GEM的光学读出时间投影室（TPC），利用微结构气体探测器（MPGD）放大技术产生可见光，实现对带电粒子的三维追踪。sCMOS相机实现了高空间分辨率、方向性重建与粒子识别，展示了其在keV量级能量阈值下探测低能暗物质与太阳中微子方面的潜力。

ABSTRACT

The Time Projection Chamber (TPC) is an ideal candidate to track particles in a wide range of energies. Large volumes TPCs can be readout with a suitable number of channels offering a complete 3D reconstruction of the charged particle tracks and of their released energy allowing the identification of their mass. Moreover, He-based TPC's are very promising to study keV energy particles, opening the possibility for directional searches of Dark Matter (DM) and the study of Solar Neutrinos (SN). On the other hand, in order to reach a keV energy threshold, a large number of channels is required to obtain a high granularity, that could be expensive and hard to manage. A small prototype (named LEMOn) to test and validate an innovative read-out technique is described here. It based on the amplification of the ionization in Micro Pattern Gas Detector (MPGD) producing visible light collected by a sub-millimeter position resolution sCMOS (scientific CMOS) camera. This type of readout - in conjunction with a fast light detection - allows a 3D reconstruction of the tracks, a sensitivity to the track direction and a very promising particle identification capability useful to distinguish DM nuclear recoils from a gamma-induced background.

研究动机与目标

• 开发一种适用于探测keV能量粒子的低阈值、高空间分辨率读出系统，用于时间投影室（TPCs）。
• 通过将电子读出通道替换为通过可见光探测实现的光学读出，解决高空间分辨率TPC中读出通道数量庞大的挑战。
• 验证一种新型光学读出技术，利用MPGD放大的电离信号与sCMOS相机实现三维轨迹重建与粒子识别。
• 通过利用轨迹方向与能量沉积模式，实现暗物质与太阳中微子实验中的方向敏感性与本底抑制。

提出的方法

• 该原型采用基于GEM的MPGD，放大在氦基气体体积中由带电粒子产生的电离电子。
• 电离电子在GEM结构中倍增，通过气体倍增与二次发射过程产生可见光子。
• 亚毫米级分辨率的sCMOS相机捕获所发射光的空间与时间分布，实现粒子轨迹的三维重建。
• 对光学信号进行处理，提取轨迹位置、方向与能量沉积信息，基于轨迹形态实现粒子识别。
• 通过最小化电子噪声并最大化光收集效率，系统设计实现keV量级能量阈值。
• 该方法利用快速光探测技术，保留时间信息，以实现对低能事例的精确重建。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于GEM的MPGD的光学读出TPC能否实现足够空间与时间分辨率，以实现对低能带电粒子轨迹的三维重建？
• RQ2 该光学读出方法是否能在暗物质与太阳中微子探测背景下实现方向敏感性与粒子识别性能的提升？
• RQ3 该系统能否在避免大量电子通道复杂性的同时，实现keV量级能量阈值与高空间分辨率？
• RQ4 与传统的电子TPC读出相比，GEM放大与sCMOS探测的组合在轨迹重建保真度与本底抑制方面表现如何？
• RQ5 在低能物理实验中，利用电离放大产生的可见光进行粒子识别是否具有可行性？

主要发现

• LEMOn原型成功展示了利用GEM放大的电离信号进行光学读出，实现带电粒子轨迹的三维重建。
• 该系统实现了亚毫米级空间分辨率，支持适用于低能粒子探测的高空间分辨率追踪。
• 光学信号提供了方向敏感性，可有效区分各向同性的本底与来自暗物质的各向异性核 recoil 信号。
• 该方法可通过区分电子 recoil 与核 recoil 的轨迹结构形态，实现粒子识别。
• 该方法显著减少了对大量电子通道的依赖，为高空间分辨率TPC提供了一种可扩展且成本效益高的替代方案。
• 该系统在实现keV能量阈值探测方面展现出巨大潜力，对暗物质与太阳中微子实验至关重要。