プリシャワー検出器の検討とシリコンピクセル検出器の性能評価
奈良女子大学大学院人間文化総合科学研究科
博士前期課程数物科学専攻
高エネルギー物理学研究室
田頭陽菜
2023年度修士論文審査会
2024/2/16

目次• 序論• Belle II実験

• プリシャワー検出器• 構造• Geant4でのシミュレーションについて• DuTiP• 構造• 検出効率について• まとめと今後
2024/2/16

修士論文審査会_田頭陽菜

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目次
• 序論
• Belle II実験

• プリシャワー検出器• 構造• Geant4でのシミュレーションについて• DuTiP• 構造• 検出効率について• まとめと今後
2024/2/16

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3Belle II実験
• SuperKEKB加速器とBelle II測定器で構成されている実験• 7GeVの電子と4GeVの陽電子を高頻度で衝突させる• 測定器は衝突点を囲むように配置されている• 衝突から生じるB中間子・反B中間子から粒子・反粒子の対称性の破れや新物理を探索している

Belle II 測定器

SuperKEKB加速器

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4Belle II測定器
衝突点• 衝突で様々な粒子が生成されるため、それらの識別やエネルギー測定が必要• 役割の異なる複数の検出器で構成
ピクセル型検出器• 崩壊点に最も近い位置に存在する半導体検出器• 荷電粒子の通過位置を検出する• 最も小さいピクセルが 55×50μm2

シリコンバーテックス検出器

TOPカウンター

ee+ +e電磁カロリメーター
エアロゲル
RICHカウンター

ミュー粒子・中性K中間子検出器
中間飛跡検出器

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5Belle II測定器
衝突点• 衝突で様々な粒子が生成されるため、それらの識別やエネルギー測定が必要• 役割の異なる複数の検出器で構成

シリコンバーテックス検出器

ピクセル型検出器

TOPカウンターe-電磁カロリメーター• 電磁シャワーを利用して電子・陽電子・γ線のエネルギーを測定• CsI(Tl)シンチレーター結晶を採用• 5.5×5.5×30cm3の大きさを持つカウンターを8736本使用• 数十MeV～7GeVと広い範囲でエネルギー測定が可能• エネルギー分解能（BhaBha散乱で1.8%）が高い• 粒子の到来方向への感度は乏しい
ミュー粒子・中性K中間子検出器

e+ +e

エアロゲル
RICHカウンター

中間飛跡検出器

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6Belle II実験での暗黒物質探索• γ対になる暗黒物質をAxion-Like-Particle(ALP)と呼ぶ• ALPの中には崩壊するまでに数十cm程度飛行する長寿命粒子となるものがあり得る• Belle II実験においてALPが電磁カロリメーターに到達する前に崩壊すると電磁カロリメーターで検出できる• 中性粒子のため飛跡が見えず、運動量ベクトルは衝突点と結ぶしかない→実際の崩壊位置は衝突点ではなく、運動量ベクトルの方向を誤るため、再構成した質量が非常に広く分布する

ビーム衝突点長寿命粒子

Ref:Prospects for longlived particle searches at
Belle II., Torben Ferber,
EPS-HEP

γ
飛跡検出器

γ
電磁カロリメーター2024/2/16

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研究動機
現在の電磁カロリメーターはγ線の到来方向への感度は乏しい。
これを改良できれば• 衝突点以外のところから来るビームバックグラウンド
γ線を識別・低減するのに効果的• 生成後に数十cm走ってからγ対に崩壊するAxionLike-Particleの質量の再構成を改善できる

ビーム衝突点

長寿命粒子
γ

飛跡検出器

γ

既存の電磁カロリメーター前方にγ線の到来方向に感度を持つ検出器（プリシャワー検出器）を置いて解決を図れないか検討

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電磁カロリメーター

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目次
• 序論
• Belle II実験

• プリシャワー検出器• 構造• Geant4でのシミュレーションについて• DuTiP• 構造• 検出効率について• まとめと今後
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9プリシャワー検出器• エネルギー損失を測定するアクティブ吸収層、電子・陽電子の通過位置を検出するトラッキ γ線
ング層を合わせて1層とした3層で構成• エネルギー50MeV~100MeVのγ線では3X0のうちに全吸収されるものもあるため、吸収層はアクティブである必要がある• 既に開発が進んでいるタングステンや鉛を使ったタイプでは吸収層でエネルギーが測定できず、低エネルギーγ線への感度も必要なBelle II実験の環境には不適• 右図を基本形として粒子が入射したときに起こす相互作用をモンテカルロ法で扱うソフト
ウェアであるGEANT4でシミュレーションを行った
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既存の電磁カロリメーター

検出器を横から見た図
橙色：BGO結晶（厚み11.2mm= 1X0 ）青色：ピクセル型Si検出器（厚み0.3mm）
断面：１辺5.5cmの正方形（Belle IIのカロリメーターを構成するカウンター1本と同じ断面積）

10GEANT4シミュレーションによるγ線到来方向の角度分解能の見積もり方法• ヒット情報から、各層で電磁シャワーの中心位置を算出する• エネルギー損失の値で重みをつけて計算する方法• エネルギー損失の値で重みをつけず計算する方法（バイナリー読み出し）• 電磁シャワーの中心を結ぶように最小二乗法を用いてγ線の到来方向を再構成する• その結果のベクトル成分（x,y）を表す分布のroot mean squareを到来方向の角度分解能と定義する
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γ線の飛跡
i層目の電磁シャワーの中心位置

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GEANT4シミュレーションによるγ線到来方向の角度分解能の見積もり結果
入射エネルギー：1000MeV、ピクセル角：50μm
10000回、プリシャワー検出器中央に垂直入射エネルギー損失で重みをつけたときの到来方向

バイナリー読み出しのときの到来方向

角度分解能：38mrad

角度分解能：80mrad

[rad]

••
2024/2/16[rad]

バイナリー読み出しの方が角度分解能が良くなることがわかった
エネルギー損失で重みをつける方が分解能が低いのは、ランダウ分布するエネルギー損失のふらつきの影響を受けるためと思われる
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ピクセルサイズと角度分解能の関係
Geant4でのシミュレーション
Angular resolution
0.1

0.5mmくらいまで大きくすると角度分解能が良くないと予想される

0.09
0.08

resolution [rad]

0.07

条件
Edepread_x-axis
入射粒子：gamma
Edepread_y-axis
イベント数：10000
binary_x-axis
入射エネルギー：1000MeV
binary_y-axis
入射位置：プリシャワー検出器中央
入射方向：垂直
磁場：なし
エネルギー損失の閾値：50KeV

0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
000.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

pixel_size [mm]2024/2/16

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ピクセルサイズと角度分解能の関係
Geant4でのシミュレーション• 50µmのピクセル検出器かつバイナリー読み出しの場合、40mrad程度の角度分解能が期待できる。
• 50µm：崩壊点検出器に求めるものとほとんど同じ

Angular resolution0.10.090.08

resolution [rad]

0.07

条件
Edepread_x-axis
入射粒子：gamma
Edepread_y-axis
イベント数：10000
binary_x-axis
入射エネルギー：1000MeV
binary_y-axis
入射位置：プリシャワー検出器中央
入射方向：垂直
磁場：なし
エネルギー損失の閾値：50KeV

0.06
0.05
0.04
0.03

0.02
0.01
000.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

pixel_size [mm]2024/2/16

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ピクセルサイズと角度分解能の関係
Geant4でのシミュレーション• 50µmのピクセル検出器かつバイナリー読み出しの場合、40mrad程度の角度分解能が期待できる。
• 50µm：崩壊点検出器に求めるものとほとんど同じ

Angular resolution
0.1
0.090.08

resolution [rad]0.070.06
Edepread_x-axis

0.05

Edepread_y-axis
0.04

binary_x-axis
binary_y-axis

0.03

0.02
0.01

• Belle II実験崩壊点検出器のアップグレード向けに開発中のDuTiPセンサーの性能評価を行う

00

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

pixel_size [mm]2024/2/16

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目次
• 序論
• Belle II実験

• プリシャワー検出器• 構造• Geant4でのシミュレーションについて• DuTiP• 構造• 検出効率について• まとめと今後
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16DuTiP1

DuTiP1• DuTiP：Dual Timer Pixel• SOI技術を使用して開発された• SOI：同一チップ上にセンサー層と回路層が形成されているモノリシック構造を持つ• ピクセル内にデジタル化に使う2つの7bitタイマーが存在• 1つのタイマーが動作中でも次のヒットを検出できることが可能で、高レートに耐える• 回路部分はアナログ部分が1/4、デジタル部分が3/4• アナログ回路はALPIDEチップのアンプをSOIプロセスに焼き直したものを使用• 低消費電力で動かすことが可能• 各電圧値をユーザーが最適化させる必要がある
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チップサイズ6.0mm*6.0mm

有感領域

2.9mm*2.9mm

ピクセルアレイ

64*64

ピクセルサイズ

45µm*45µm

厚み
読み出し方法

310µm
バイナリー
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β線照射の結果
ビームテストを行う前に荷電粒子検出の試験を行い、ヒットの検出が可能であることを確認した

Sr90

トリガーシンチ
φ=1.5mmのコリメーターがついた
φ=1インチの光電子増倍管

DuTiP
センサー接続用ボード
トリガーシンチ

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KEKテストビームラインでの実験
ビーム上流••••

トリガー用ピクセル
センサー（XRPIX5）
INTPIX4NA

電子ビームが入射
解析には4GeV, 永久磁石なし, トリガー：XRPIX5のRunのみを使用
1Run = 10000イベント
DuTiP1の動作を決めるFWは18.75MHzクロックで動作

有感領域：
14.1 × 8.7 mm2

永久磁石
トリガーシンチ

ビーム上流
IP8DuTiPIP9

DuTiP1

IP8-IP9間：32mm
IP9-DuTiP1間：53.3mm

ColumnRow
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19電子ビームの有無によるピクセルヒット
ビームなし

ビームあり

ビームを当てたときは、それに対応して鳴っているピクセルのヒットが記録されていることがわかった。
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DuTiP1

検出効率算出の順序

IP9IP8上流

INTPIX4NAとDuTiP1は独立のデータ収集システム
同一の荷電粒子を検出できているか確認のためヒット相関図を作成

センサー間の中心位置は厳密に同じではない→中心位置の相対的なずれの補正が必要ヒット相関図に対しy=a+bxでfitすることで位置補正を行う

IP8, IP9のヒット情報からDuTiP1でのヒットの有無を確認する→この回数を元に検出効率を計算する（詳細は後述）

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21DuTiP1

IP9IP8上流

位置補正について• ヒット相関図から並進方向の位置補正（アライメント）を行う• IP8-IP9, IP8-DuTiP1の組み合わせでも同様のプロットを作成し、位置補正を行った
IP9-DuTiP1のヒット相関（垂直方向）

センサー間のアライメントの結果 [um]

この結果を元にセンサー間のずれを補正した

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検出効率の算出方法

IP9 IP8• アライメント後のIP8, IP9のヒット情報からDuTiP1のヒット位置を外挿す
る• 以下の式で検出効率を算出する

DuTiP1

ビーム上流
永久磁石

実際にDuTiP1上でヒットが見られたイベント数
検出効率 % =外挿した位置がDuTiP1の有感領域にあったイベント数●：INT4でのヒット位置●：DuTiPに外挿したヒット位置●：実際のDuTiPでのヒット位置※わかりやすいように外挿したヒット位置と実際のヒット位置を大きくずらしている2024/2/16

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23検出効率の算出方法
外挿した位置とヒット位置の残差分布• アライメント後のIP8, IP9のヒット情報からDuTiP1のヒット位置を外挿す
る• 以下の式で検出効率を算出する
実際にDuTiP1上でヒットが見られたイベント数
検出効率 % =外挿した位置がDuTiP1の有感領域にあったイベント数• 分子の条件は外挿した位置とヒット位置の残差分布のmean±3sigmaまでをヒットとしてみなす• アナログ回路の電圧値を変えつつ12回データ収集を行った
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残差の値[mm]24

結果
Run毎の検出効率70.0• 条件毎の検出効率は誤差の範囲では一致している• 動作条件2はそれ以外のパラメー
ターと異なり、入力に関わる電圧を低い設定にしていた• ピクセルの信号電荷収集効率、またはアナログ回路の動作特性が、アナログ部の電圧パラメーター設定に依存している可能性がある• 検出効率が60%程度の要因の内、約10％はトリガーの遅延が影響していると考えている

60.0

検出効率 [%]

50.0

アナログ回路動作条件●１●２●３●４40.0

30.0

20.0

10.0

0.001

2

345

678910111213

Run番号2024/2/16

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トリガーの遅延• シンチの上にトリガー用ピクセルセンサー（XRPIX5）を置き、その上からSr90を置いた• 両者の時間差をオシロスコープで測定• 最大で10µsecの遅延があることがわかった• DuTiP1は7bit(127クロック目)でコインシデンスを取るため10%くらいは取り漏らしてしまっている※INTPIX4NAは電荷を積分してデータを蓄積する時間を100µsecにしていたのでこの遅延による影響を受けない

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Ref:GeV 電子ビームに最適化した
SOIピクセル検出器 INTPIX4NA を用いたテレスコープシステムの開発,
大森匠, 2023年度筑波大学修士論文
（見込み）

0μs

7μs

10μs

シンチピクセルセンサー（XRPIX5）

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目次
• 序論
• Belle II実験

• プリシャワー検出器• 構造• Geant4でのシミュレーションについて• DuTiP• 構造• 検出効率について• まとめと今後
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まとめ（１）• Belle II実験の電磁カロリメーターの性能改良のアイデアとしてγ線の到来方向に感度があるプリシャワー検出器を考えている• プリシャワー検出器はアクティブ吸収層とトラッキング層を1層とした3層から成る構成• シミュレーション結果からピクセル角50µmかつバイナリー読
み出しで1000MeVのγ線を入射する場合、約40mradの角度分解能を持つ

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まとめ（２）• Belle II実験崩壊点検出器のアップグレード向けに開発中のDuTiPセンサーの性能評価を行った• DuTiPは7bitタイマーを2つ持ち、片方が動作中でももう一方を動作させることが可能であるため高レートにも耐えられる• 4GeVの電子ビームを入射させるビームテストを行った• 結果からDuTiPでGeV程度の高エネルギー荷電粒子が検出可能であることがわかった• 検出効率は先行研究で最適化されたパラメーターで概ね約60%であった• トリガー用ピクセルセンサーの遅延の影響が約10%ある• 検出できていない残りの約30%の原因究明には、アナログ部の電圧設定やピクセル中の電荷収集効率が最適か、さらに調査が必要であると考えている
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今後• シミュレーションでは、プリシャワー検出器そのものの性能評価を行ったため、実際にBelle II測定器にインストールしたときの利点や他の検出器への影響を見積る必要がある• 入射条件（角度・位置）を大きくずらしたときに位置・角度分解能が変わるかどうかも調べないといけない• DuTiP1はビームテストの結果から位置分解能を算出する• アナログ回路のパラメーター設定値、ピクセルの構造に依存する信号電荷収集効率について、さらに詳しく検討する必要があることが示唆された
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Back Up

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