RHIC-sPHENIX実験における中間飛跡検出器INTT用シリコンセンサーでのエネルギー損失測定の評価
2022.3.4 卒業研究発表会
奈良女子大学 高エネルギー物理学研究室
B4 杉山由佳

2022/3/4

卒業研究発表1

目次
1.

研究背景と目的2.

テストビーム実験で得られたデータの解析方法

3.

解析結果

4.

まとめ

5.

今後の課題

2022/3/4

卒業研究発表2

1. 研究背景と目的
・sPHENIX実験
・中間飛跡検出器INTT
・INTT用シリコンセンサー

・卒業研究概要

2022/3/4

卒業研究発表3sPHENIX実験
 米国ブルックヘブン国立研究所（BNL）
2000-2016年に行われたPHENIX実験を高度化。2023年より稼働予定。
 QGPにおける輸送係数の温度依存性や色電荷のデバイ遮蔽長を決定することを目的に、ジェット、ジェット相関、ウプシロン粒子を測定する計画である。

 金原子核対（200GeV）、陽子対（510GeV）の衝突

クォーク・グルーオン・プラズマ(QGP)とは
 高温・高密度下で、クォークやグルーオンがハドロン内の閉じ込めから解放されたプラズマ状態のこと。 ビッグバンから数10μ秒間の初期宇宙で実現していたと考えられる。
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卒業研究発表4

中間飛跡検出器INTT
 INTT（INTermediate Tracker）
 sPHENIX実験で用いられる3つの飛跡検出器のうちの1つ
 ビームパイプから6-12cmに位置する
 樽状の2層構造のストリップ型シリコン検出器

3つの飛跡検出器

 時間分解能が高く、飛跡再構成において重要な役割を果たす

2層構造のストリップ型シリコン検出器
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卒業研究発表5

320𝜇𝑚厚

INTT用シリコンセンサー
16𝑚𝑚 𝑇𝑦𝑝𝑒 − 𝐴
20𝑚𝑚(𝑇𝑦𝑝𝑒 − 𝐵)

 78μmピッチ、320μm厚のストリップ128個で、1つのシリコンセルが構成されている。

1つのシリコンセルの模式図

 シリコンセンサーは 8 × 2 の Type-A シリコンセルと 5 × 2 の Type-B シリコンセルに分けられる。
INTTシリコンモジュール
 計26個のシリコンセンサーとFPHXチップ、HDI、Conversion Cable （+Bus Extender ）で構成されている。
 FPHXチップは、1チップあたり1シリコンセンサー（128channel）分の信号を読み出す働きをする。

以降、シリコンモジュールをmodule、セルをchip、ストリップをchannelと呼ぶ。
26個のシリコンセンサーの全体図
2022/3/4

卒業研究発表6

卒業研究概要
研究目的
 様々なセットアップにおけるエネルギー損失を評価する。
 DACスキャン 通常のDAC設定値
 縦/ 横方向に回転方法
 テストビーム実験で得られたデータの解析を行い、エネルギー損失分布を評価する。

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卒業研究発表7

2．テストビーム実験で得られたデータの解析方法
・テストビーム実験
・データ読み出し回路
・DAC値設定・解析手順
・イベント選定
・クラスター化
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卒業研究発表8

テストビーム実験

2021年12月に東北大学ELPHで、INTTシリコンモジュールの性能評価を行うために、1GeVの陽電子ビームを用いた実験を行った。

Beam• 1GeV陽電子ビーム• chip10,11,23,24に照射2022/3/4

卒業研究発表9データ読み出し回路
シリコンセンサー:
荷電粒子を検出するとFPHXチップにアナログ信号を送る。
シンチレーションカウンター:
シリコンセンサーとのコインシデンスをとることで、ノイズを減らしビーム由来の信号を検出する。
FPHXチップ: シリコンセンサーから信号を読み出す。
ROC: 複数のFPHXチップから送られてきたデータの同期と結合を行い、次の読み出し回路に転送する。
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卒業研究発表10

DAC値設定
 FPHXチップにおいてエネルギー損失の波形整形によりADCが出力される。
この時のADCの閾値を、DAC値で設定する。
→ADC,DAC値は、損失エネルギーに対応する。
 PCにおいて任意のDAC値に変更可能である。

2022/3/4

下図：デフォルトのDAC値設定
ADC

DAC設定値

015

130

260

390

4120

5150

6180

7210
卒業研究発表11解析手順
本研究では、以下の手順で解析を行った。
1. イベント選定
2. クラスター化
3. エネルギー損失分布の評価
詳しくは次ページ以降で述べる。

2022/3/4

卒業研究発表12イベント選定
不要なイベントの除去
 存在しないモジュール（amplitude=0, chip1-26, channel 0-127, adc0-7, module1or6or5以外）
 ビームとは無関係と考えられるhot channelでのヒット
 double saving event

double saving event |Δbco_full|≤5で、同chip_id,chan_id,adc,moduleが同一のヒットをdouble saving eventとして考え、2イベント目を除去した。

bco_full

chip_id

chan_idadc

module48678

930

6648679

93066

図:double saving event除去の例
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除去
卒業研究発表13

③クラスター化②①→クラスター化①

荷電粒子がシリコンセンサー内を斜めに通過した場合を考える。
3ヒットと記録

1ヒットと記録 斜めに通過した各channelにおいて、別々のヒットとして記録される。
↓ クラスター化 1粒子が斜めに通過したと考え、まとめて1ヒットとして扱う。
本解析では、同時に、同chip、隣り合ったchannelを通過したヒットにクラスター化を行うこととする。

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卒業研究発表14

3. 解析結果
・エネルギー損失分布の見方
・通常のDAC設定
・DACスキャン・通常のDAC設定とDACスキャンの比較・クラスター化前後の比較（垂直時,縦回転時,横回転時）
・縦回転と垂直時の比較
2022/3/4

・横回転と垂直時の比較

卒業研究発表15

エネルギー損失分布の見方
本研究ではエネルギー損失に対応する量としてDAC値を用いている。
エネルギー損失分布の横軸はこのDAC値とする。
縦軸はそのDAC値におけるヒット数である。

DAC値が大きいほどエネルギー損失が大きいということである。
横軸：エネルギー損失に比例する量(DAC値)
縦軸： カウント数

エネルギー損失 小2022/3/4

大卒業研究発表16

通常のDAC設定
目的 基準として通常のDAC設定におけるエネルギー損失分布を求めることである。
 後ほどDACスキャンにおけるエネルギー損失分布と比較する。
方法 DAC設定のデフォルトは、｛15,30,60,90,120,150,180,210｝である。
 Run-089では、このDAC設定のもと測定を行い、解析によってエネルギー損失分布を求めた。

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卒業研究発表17

L0L1L2

2022/3/4→ビームがラダーに対して垂直に入射している。

横軸：エネルギー損失に比例する量(DAC値)
卒業研究発表18

DACスキャン目的 精密なMIP (Minimum Ionization Particle: 最小電離粒子) ピークを求めることである。

方法
Run-071～078では、計8パターンのDAC設定のもと、それぞれ測定を行った。
1. 各DACスキャンにおいて、8個のエネルギー損失分布を求める （※）
2. これらのADC分布を重ね合わせて、1つの分布にする。

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卒業研究発表19

DACスキャン※ADC7について閾値以上の電圧パルス信号を拾うため、 ADC0-6よりもADC7のヒット数がはるかに多い。

→クラスター化前にADC7を除去している。

DAC設定値
DAC scan1 : {8,12,16,20,24,28,32,36}

DAC scan2: {28,32,36,40,44,48,52,56}
DAC scan3: {48,52,56,60,64,68,72,76}
DAC scan4: {68,72,76,80,84,88,92,96}

DAC scan5: {88,92,96,100,104,108,112,116}
DAC scan6: {108,112,116,120,124,128,132,136}
DAC scan7: {128,132,136,140,144,148,152,156}
各DACスキャンにおけるDAC設定値
2022/3/4

DAC scan8: {148,152,156,160,164,168,172,176}
卒業研究発表20

L0L1

MIPピーク：74.97±0.25

L2

MIPピーク：79.82±0.26

MIPピークを調べるために関数gaus+expoでフィッティングを行った。
→全てのラダーにおいて、MIPピークはDAC値75前後である。
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MIPピーク：77.72±0.28

横軸：エネルギー損失に比例する量(DAC値)

卒業研究発表21

通常のDAC設定と DACスキャンの比較目的
 通常のDAC設定とDACスキャンにおけるエネルギー損失分布の違いやMIPピークを比較することである。

方法
 通常のDAC設定とDACスキャンにおけるエネルギー損失分布を求め、比較した。
 ピーク1binとそれと隣り合う2binの計3binの面積の違いにより規格化を行った。
 ピークの位置は、ヒストグラムの平均値とする。

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卒業研究発表22

※平均値によって求めた。

L076.52±0.23
89.41±0.11

ノイズ

L1L2
85.74±0.27
89.77±0.11

信号→DACスキャンを行うことで、精密なMIP エネルギーの導出やノイズと信号の判別ができた。
2022/3/4

79.06±0.24
93.17±0.11

赤：DACスキャンのMIPピーク青：通常のDAC設定のMIPピーク
横軸：エネルギー損失に比例する量(DAC値)
卒業研究発表23

縦方向に回転させた場合
Run-061では、シリコンモジュールが入った暗箱を縦方向に13.70°回転させた。
解析により、この時のエネルギー損失分布を求めた。DAC設定値はデフォルトの値である。

1.

クラスター化前後の比較

2.

縦回転と垂直時の比較について行った。

beam

13.70°

2022/3/4

卒業研究発表24

横方向に回転させた場合
Run-063では、シリコンモジュールが入った暗箱を横方向に29.05°回転させた。
解析により、この時のエネルギー損失分布を求めた。DAC設定値はデフォルトの値である。

1.

クラスター化前後の比較

2.

横回転と垂直時の比較について行った。

beam

29.05°

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卒業研究発表25

クラスター化前後の比較（垂直時,縦回転時,横回転時）
目的 垂直時と縦/横回転時において、クラスター化の影響について調べることである。
方法
 クラスター化を行う前と後におけるエネルギー損失分布を求め、比較する。

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卒業研究発表26

垂直時のL0

縦回転時のL075.18±0.1386.72±0.13

横回転時のL061.30±0.2285.88±0.28

縦回転時ではクラスター化前後でMIP ピークの変化が大きく、ヒットストリップ数の増加を表している。
→縦回転させた場合、荷電粒子が複数のchannel をまたがって斜めに通過したと考えられる。
2022/3/4

81.38±0.24
96.97±0.24

青：クラスター化前のMIPピーク
赤：クラスター化後のMIPピーク
横軸：エネルギー損失に比例する量(DAC値)
卒業研究発表27

縦回転と垂直時の比較目的
 ラダーに対して斜めに入射する粒子についても検出し、そのエネルギー損失量を求める。

 エネルギー損失の大きさは、荷電粒子がセンサーを通過する距離に対応しているのか確認する。
方法
 元のセットアップ(垂直時)と、縦回転時のエネルギー損失分布を比較した。
 データはRun-059、Run-061を用いた。
 測定時間はそれぞれ30分、15分で、この違いにより規格化を行った。
 ピークの位置は、ヒストグラムの平均値とする。
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卒業研究発表28

ラダー内通過距離
垂直時：320μm
縦回転時：329μm

13.7°

約3%増

329μm

→ビームがラダーを通過する距離が長いほどエネルギー損失が大きくなる。

channel

2022/3/4

13.7°→縦回転では垂直時よりも、ビームがラダーを通過した時に約3%多くエネルギーを失うと考えられる。

卒業研究発表29

L089.98±0.18
88.58±0.36(-1.56±0.45)％

89.45±0.1787.47±0.41(-2.22±0.50)%

89.46±0.27
87.02±0.23(-2.48±0.86)%

・縦回転の時、下段のchipの方がヒット数が多い。
→縦回転により、L0では下段のchipにビームが入射したと考えられる。
87.64±0.14
87.01±0.23(-0.71±0.31)%

86.72±0.1385.88±0.28(-0.97±0.36)%

87.43±0.23
86.24±0.55(-1.36±0.68)%

・MIPピークの変化率が減少している。

青：垂直時のMIPピーク
赤：縦回転時のMIPピーク
黒：MIPピークの変化率
横軸：エネルギー損失に比例する量(DAC値)
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卒業研究発表30

L1
92.21±0.18
89.66±0.26(-2.76±0.34)%

90.94±0.18
88.42±0.30(-2.78±0.38)%

90.91±0.29
88.58±0.55(-2.57±0.68)％

・縦回転の時、上段のchipの方が若干ヒットが多い。
→縦回転により、L1では上段または下段のchipにビームが入射したと考えられる。
88.04±0.1487.10±0.33(-1.06±0.41)%

87.44±0.1485.93±0.41(-1.72±0.49)％

88.47±0.2586.50±0.84(-2.23±0.99)%

・MIPピークの変化率が減少している。

青：垂直時のMIPピーク
赤：縦回転時のMIPピーク
黒：MIPピークの変化率
横軸：エネルギー損失に比例する量(DAC値)
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卒業研究発表31

L292.40±0.20
91.08±0.26(-1.43±0.36)%

86.50±0.17
83.71±0.29(-3.23±0.38)％

88.50±0.25
84.57±0.52(-4.44±0.65)%

・縦回転の時、上段のchipの方がヒットが多い。
→縦回転により、L2では上段のchipにビームが入射したと考えられる。
88.14±0.15
91.24±1.37(3.51±1.57)%

90.81±0.14
90.53±1.28(-0.32±1.41)％

88.50±0.2188.64±1.69(0.17±1.93)％

・MIPピークの変化率が減少しているchipが多い。

青：垂直時のMIPピーク
赤：縦回転時のMIPピーク
黒：MIPピークの変化率
横軸：エネルギー損失に比例する量(DAC値)
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卒業研究発表32

考察
 L0 からL2 にかけて下側のchip から上側のchip に順に入射していることから、ラダーに対して斜め方向に入射する粒子を検出できたことが分かる。
 原理ではMIP ピークが約3% 上昇する予想であったが、実際は殆どのchip において予想とは異なる値になった。

この原因として、以下の仮説が挙げられ、今後検証する必要がある。
① 予想では約3% というわずかな上昇率のため、測定分解能が劣り約3% という値は得られない。

② chip 別にクラスター化を行っており、chip の端に位置するchannel0、127 に荷電粒子が斜めに通過した場合のエネルギー損失量を過小評価してしまった。
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卒業研究発表33

横回転と垂直時の比較目的
 ラダーに対して斜めに入射する粒子についても検出し、そのエネルギー損失量を求める。

 エネルギー損失の大きさは、荷電粒子がセンサーを通過する距離に対応しているのか確認する。

方法
 元のセットアップ(垂直時)と、横回転時のエネルギー損失分布を比較した。
 データはRun-059、Run-063を用いた。

 測定時間はそれぞれ30分、15分で、この違いにより規格化を行った。
 ピークの位置はヒストグラムの平均値とする。
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卒業研究発表34

ラダー内通過距離
垂直時：320μm
横回転時：366μm

320μm

約14%増

366μm
29.05°→ビームがラダーを通過する距離が長いほどエネルギー損失が大きくなる。

29.05°

2022/3/4

chip→横回転では垂直時よりも、ビームがラダーを通過した時に約14%多くエネルギーを失うと考えられる。

卒業研究発表35

横軸：エネルギー損失に比例する量(DAC値)

L0

青：垂直時のMIPピーク
赤：横回転時のMIPピーク
黒：MIPピークの変化率

90.72±1.05
83.26±4.18(-8.22±4.73)％

89.98±0.18
101.27±2.95(12.54±3.28)％

89.45±0.17
100.91±0.53(12.80±0.63)％

89.46±0.27
100.55±0.53(12.39±0.68)％

89.26±0.45
100.90±0.73(13.04±1.00)％

88.55±0.94
99.26±3.15(12.10±3.75)％

87.64±0.14
91.97±1.41(4.94±1.62)％

86.72±0.13
96.97±0.24(11.81±0.32)％

87.43±0.23
97.41±0.25(11.41±0.41)%

87.09±0.42
98.35±0.39(12.93±0.71)%

・本来のビーム照射より右側のchip(chip8,9,10,21,22,23)でヒットが多い。
→横回転により、L0では比較的右側のchipにビームが入射したと考えられる。
・MIPピークの変化率が14％に満たないchipが多い。
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卒業研究発表36横軸：エネルギー損失に比例する量(DAC値)

L1

青：垂直時のMIPピーク
赤：横回転時のMIPピーク
黒：MIPピークの変化率

93.43±1.36
98.95±2.97(10.25±3.01)％

92.21±0.18
104.25±0.57(13.06±0.66)％

90.94±0.18
101.97±0.55(12.13±0.64)％

90.91±0.29
103.03±0.70(13.34±0.85)％

89.30±0.47
97.08±1.20(8.71±1.46)％

87.19±0.89
100.46±1.84(15.23±2.42)％

88.04±0.14
97.09±0.26(10.28±0.35)％

87.44±0.14
95.87±0.26(9.64±0.34)％

88.47±0.25
97.37±0.38(10.06±0.53)％

87.27±0.45
94.92±0.82(8.77±1.10)％

・本来のビーム照射付近のchip(chip9,10,11,22,23,24)でヒットが多い。
→横回転により、L1では比較的中央のchipにビームが入射したと考えられる。
・MIPピークの変化率が14％に満たないchipが多い。
2022/3/4

卒業研究発表37

横軸：エネルギー損失に比例する量(DAC値)

L2

青：垂直時のMIPピーク
赤：横回転時のMIPピーク
黒：MIPピークの変化率

90.46±1.03
103.42±0.75(14.33±1.54)％

92.40±0.20
102.49±0.55(10.91±0.64)％

86.50±0.17
96.92±0.65(12.05±0.79)％

88.50±0.25
95.10±1.10(7.47±1.28)％

88.28±0.47
97.39±1.38(10.32±1.67)％

87.77±0.93
98.55±0.31(12.28±1.24)％

88.14±0.1598.94±0.25(12.26±0.34)％

90.81±0.14
100.32±0.32(10.46±0.39)％

90.81±0.14
100.32±0.32(8.18±0.77)％

87.16±0.42
95.89±0.91(10.02±1.17)％

・本来のビーム照射より左側のchip(chip8,9,10,21,22,23)でヒットが多い。
→横回転により、L2では比較的左側のchipにビームが入射したと考えられる。
・MIPピークの変化率が14％に満たないchipが多い。
2022/3/4

卒業研究発表38

考察 L0 からL2 にかけて右側のchip から左側のchip に順に入射していることから、ラダーに対して斜め方向に入射する粒子を検出できたことが分かる。
 原理ではMIP ピークが約14% 上昇する予想であったが、実際は殆どのchip において予想とは異なる値になった。

この原因として、以下の仮説が挙げられ、今後検証する必要がある。
 chip 別にクラスター化を行っており、chip の端に位置するchannel0、127 に荷電粒子が斜めに通過した場合のエネルギー損失量を過小評価してしまった。

2022/3/4

卒業研究発表39

4. まとめ

2022/3/4

卒業研究発表40

まとめ
テストビーム実験において、中間飛跡検出器 INTT の実機の一部を用いた性能評価を行った。
DACスキャンと通常のDAC設定の比較
 DACスキャンを行うことで、精密なMIPピークを導出し、ノイズと信号を見分けることができた。
垂直時と縦 / 横回転の比較
 ラダーに対して斜めに入射する粒子を検出することができた。

 縦回転ではビームがラダーに対して斜めに入射し、複数のchannelをまたがって通過するため、クラスター化の影響が大きいことが分かった。
 荷電粒子のシリコンラダー内通過距離が長いほど、エネルギー損失が大きくなることが分かった。
2022/3/4

卒業研究発表41

5. 今後の課題

2022/3/4

卒業研究発表42

今後の課題 垂直時と縦/横回転時の比較において原理から予想される値と解析結果が異なっていたが、その原因を以下の方法で調べる。

① クラスター化の対象となるヒット数に制限をかけて、エネルギー損失分布を再評価する。
② 上下に位置するchipのchannelを0-255とひとまとめにしてクラスター化を行う。

2022/3/4

卒業研究発表43

Backup2022/3/4

卒業研究発表44

MIP(Minimum Ionization Particle: 最小電離粒子)
 一般的に、物質中を通過するエネルギー損失はBethe-Blochの式で表される。

 入射粒子の速度β が小さい時は速度の2 乗に反比例する一方、速度β が大きくなるとやがてエネルギー損失はほぼ一定の値をとる。
→エネルギー損失がほぼ一定となる場合の粒子を、MIP(Minimum IonizationParticle: 最小電離粒子) という。

2022/3/4

卒業研究発表45

ADC7除去前と後

2022/3/4

ADC7除去前ADC7除去後

卒業研究発表46

Hot Channelでのヒットの除去前と後
除去前

除去後

2022/3/4

卒業研究発表47

クラスター化手順
1. 同時刻におけるイベントをvector に入れる。
2. channel, ADC が格納された2 種類のvector をpair に入れる。
3. chip 番号ごとにchannel 番号でpair のデータを並び替える。
4. 不要なイベント(double saving event 起因) を除去する。
5. ADC をDAC 設定値に変換する。
6. クラスター数が１以上のchip 番号のデータをクラスター化する。
（a）channel が隣り合うとき、1 粒子のイベントとし、DAC 値を足し合わせる。
（b）channel が隣り合わないとき、それぞれ別のヒットにおけるDAC 値とする。

2022/3/4

卒業研究発表48

クラスター化の影響（DACスキャン）
 DACスキャンにおいてクラスター化の影響を調べるために、クラスタリングの有無によりエネルギー損失分布を比較し、Gaus+Expoでフィッティングを行った。

2022/3/4

卒業研究発表49

L0

青：79.11±0.74
赤：77.90±0.70

青：77.21±0.67
赤：76.85±0.57

青：76.98±0.31
赤：76.3±0.30

青：75.25±0.26
赤：74.97±0.25

青：75.56±0.43
赤：75.27±0.42

青：クラスタリングなし
赤：クラスタリングあり
2022/3/4

卒業研究発表50

L1

青：83.26±1.01
赤：84.56±0.76

青：81.04±0.71
赤：81.72±0.56

青：79.83±0.38
赤：80.72±0.30

青：78.65±0.35
赤：79.82±0.26

青：79.13±0.80
赤：80.51±0.49

青：クラスタリングなし
赤：クラスタリングあり
2022/3/4

卒業研究発表51

L2

青：78.38±0.88
赤：78.56±0.76

青：74.74±0.60
赤：75.56±0.58

青：75.92±0.36
赤：76.08±0.34

青：77.90±0.30
赤：77.72±0.28

青：76.80±0.40
赤：76.77±0.41

青：クラスタリングなし
赤：クラスタリングあり
2022/3/4

卒業研究発表52

double saving eventの影響（DACスキャン）
 DACスキャンにおいてdouble saving eventの影響を調べるために、double saving eventを除去と未除去におけるエネルギー損失分布を比較した。

2022/3/4

卒業研究発表53

L0

青：double saving event除去なし
赤：double saving event除去あり
2022/3/4

卒業研究発表54

L1

青：double saving event除去なし
赤：double saving event除去あり
2022/3/4

卒業研究発表55

L2

青：double saving event除去なし
赤：double saving event除去あり
2022/3/4

卒業研究発表56