宇宙線を⽤いた
sPHENIX実験-中間⾶跡検出器INTT⽤
シリコンセンサーの検出効率測定
⾼エネルギー物理学研究室
並本ゆみか

2023/2/16

宇宙線を⽤いたsPHENIX実験-中間⾶跡検出器INTT⽤
シリコンセンサーの検出効率測定: 並本ゆみか

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⽬次• 研究背景• 研究⽬的• 測定セットアップ• 測定結果• 検出効率の定義• クラスターの取り扱い• 各条件下での検出効率の計算
• まとめ
• 今後

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研究背景:sPHENIX実験• 2023年4⽉より、アメリカブルックヘブン国⽴研究所(BNL)
RHIC(Relativistic Heavy Ion Collider)加速器で⾏われる加速器実験
実験⽬的• 粒⼦衝突によって発⽣したJet現象やUpsilon粒⼦を測定し、QGPの性質を決定すること• QGP: ⾼温、⾼密度状態でハドロン内の閉じ込めから解放されたクォーク、グルーオンからなるプラズマ状態の物質。ビッグバン直後の10!" 秒後に実現していたとされる衝突核⼦、エネルギー• ⾦原⼦核+⾦原⼦核(200GeV)、偏極陽⼦+偏極陽⼦(510GeV)
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sPHENIX検出器• sPHENIX実験には3つの⾶跡検出器が導⼊される• 最内層: MVTX ‒ シリコンピクセル検出器、⾼精度の⾶跡再構成が可能• 中間層: INTT ‒ シリコンストリップ検出器、⾼い時間分解能を持つ• 最外層: TPC ‒ ガス検出器、⾼い位置分解能を持ち、運動量を測定する• ⾶跡検出器群の外側にはハドロンカロリメータ、電磁カロリメータが配置される

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中間⾶跡検出器INTT• INTTはストリップ型シリコン検出器であり、2層構造のバレル型である• 計56本のセンサーラダーで構成される• ビームパイプから6-12cmに位置し、ビーム⽅向±23cm、⽅位⾓⽅向2𝜋を覆う• INTTはビーム周波数以下の時間分解能を持ち、どのビーム交差で衝突事象が起こったのかの区別が可能である

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INTT⽤シリコンセンサーラダー• 厚み320μm、幅78μm、⻑さ16mm(20mm) のストリップが256本で1つの読み出しセルが構成される• ラダー全体では6656本のストリップを持つ• 2種類のストリップセンサーから構成される• 衝突点に近いラダー中央: ⻑さ16mmのType-A• ラダー外側: ⻑さ20mmのType-B

ハーフラダー

衝突点• INTTラダーは左右独⽴であり、それぞれをハーフラダーと呼ぶ• ハーフラダーごとに信号を読み出す
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研究⽬的
• ノイズの少ない宇宙線測定から
1. 検出効率測定
2. 検出効率のタイミング依存性の検証を⾏うことを⽬的としている• INTTの検出効率測定を⽬的として、3度ビームテストが⾏われた• 検出効率: 96.0 ± 0.5%、99.56 ± 0.02%• ⼀貫した検出効率が得られない理由として、タイミング依存性仮説が⽴てられた• タイミング依存性仮説: センサーが信号を検出したタイミングと、クロック信号BCOとの相対位相によっては信号を取りこぼしてしまうことがある

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INTTとビーム周波数• INTTはRHIC加速器のビームクロック信号(Beam ClOck: BCO)と同期して動作する• BCO: 9.4MHz (1周期およそ106nsec)、ビーム周波数と同じ• INTTはBCOの⽴ち上がりのタイミングで信号を読み出す• BCOの⽴ち上がりと⼀致させるため、どの信号も時間幅およそ80nsに波形整形される

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宇宙線測定セットアップ• センサーラダーを3本平⾏に配置(ラダー間距離: 26.1mm)• 上流のラダーからそれぞれL0、L1、L2と呼ぶ• 暗箱の上下にシンチレーション検出器を配置• 2本のシンチレーション検出器のcoincidence信号が測定のトリガー• シンチレータの⾯積とセンサーの⾯積は同じ• CAMACを⽤いてシンチレーション検出器のADCとタイミングを測定している

シンチレーション検出器
26.1mm

INTTラダー
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INTTによる宇宙線のエネルギー損失測定• INTTは通過した荷電粒⼦の損失エネルギーをADCにより測定可能である• 8段階の閾値を持ち、DACによって設定する• 宇宙線のMIPがシリコンストリップ1本を通過したときの信号波⾼は、Bethe-Blochの公式から約580mVと計算される• 宇宙線のMIPピークを測定できるよう、宇宙線測定時のDAC値は以下のように設定した

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設定値

電圧値(mV)DAC 015270

DAC 130330

DAC 260450

DAC 390570

DAC 4120690

DAC 5150810

DAC 6180930

DAC 72101050

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トリガー信号の測定回路• トリガーシンチレーション検出器の信号電荷、信号を検出したタイミングとBCOの時間差をそれぞれ測定している• トリガー信号が電荷測定のGate, タイミング測定のCommon startとなっている

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宇宙線測定結果: 宇宙線の信号電荷• 宇宙線測定は約36⽇間⾏った• シンチレーション検出器で測定された宇宙線の電荷分布は以下のようになった• ⻘: 暗箱上のシンチレーション検出器 ⾚: 暗箱下のシンチレーション検出器• ピーク値が同じ値になっていることがわかる• それぞれの測定結果に相関があり、2つのシンチレーション検出器を同時に通過した宇宙線を測定できている

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12結果: トリガー信号とBCOのタイミング差• トリガーシンチレーション検出器が宇宙線を検出したタイミングと、BCOの時間差を測定している。結果を以下に⽰す• TDC値450-1000はほとんど平らになっており、宇宙線がどのタイミングでも⼀様に来ていることがわかる• TDC値400、1000付近のピークは読み出し回路の不具合による

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13結果: ラダーごとのヒット分布• 宇宙線測定結果から、全ラダーのヒット分布を作成した• 垂直に⼊射する宇宙線により、全ラダーの同じ位置にヒットがあることがわかる• 読み出しセルの⾯積が⼤きいCell1-5ではより多くのヒットが⾒られる• ヒットが集中している部分が⼸形になっているのは、暗箱下に配置したシンチレーション検出器がセンサーとずれていたからだと考えられる

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14クラスタリング• 宇宙線 hit は同⼀ラダー中の複数ストリップにまたがることがあるので、それらの hit を⼀つのクラスターにまとめるクラスタリングを⾏った
1. 1イベント中の Hit をラダー、セルごとにわける
2. 同⼀ラダー、同⼀セルのHitで、ストリップ番号が隣同⼠であれば、ADC 値(宇宙線の損失エネルギーに相当)を⽤いて平均ストリップ位置(★)を求める∑(Strip No.×ADC)
Cluster position =∑ ADC

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15結果: クラスターの信号電荷分布• L1 が検出したクラスターの電荷分布は以下のようになった• ADC値60-120 (450mV ‒ 690mV)にピークを持つ• これは宇宙線がストリップ1本を通過したときの電荷約580mVという予想と⼀致している• 宇宙線が測定できており、その電荷分布が⾒えている

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設定値

電圧値(mV)DAC 015270

DAC 130330

DAC 260450

DAC 390570

DAC 4120690

DAC 5150810

DAC 6180930

DAC 7210105016

トラッキング• 2本のラダーが検出したクラスターの位置から、残る1本のラダーにおけるクラスターの位置が予想できる• 予想される位置と、実際のクラスター位置の差をResidualと呼ぶ• 全ラダーがクラスターを1つ検出したときのL1のResidual分布図を⽰した• 横軸: 実距離[𝜇𝑚]、縦軸: エントリー数• ピークは0 付近に⽴っており、予想される位置でクラスターが検出されている

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17検出効率の定義• L1 の検出効率を求める場合、より確からしい宇宙線を選ぶために• 上下のラダーL0, L2 は同じ番号のセルに1つのクラスターを持つ• L1 は−1 ≤ L0, L2 cell No. ≤ 1にクラスターを持つ• L1 のクラスター予想位置は0 ≤ Strip No. ≤ 255に制限するという条件を課す。これはノイズを除去するためであるN(Ladder 0 hit ∩ Ladder 1 hit ∩ Ladder 2 hit)
ϵ!"##$% & =N(Ladder 0 hit ∩ Ladder 2 hit)
• 誤差は⼆項分布の統計誤差を⽤いた

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複数クラスターの検出• 宇宙線測定では、同⼀タイミングに複数個のクラスターを検出することがある• 2個以上のクラスターが検出される割合は約4%• これらすべてをカットすると、検出効率が4%下がる• 検出効率計算に使えるかどうか確認する必要がある• 複数クラスターの中に宇宙線クラスターが含まれているかどうか、解析を⾏った

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複数クラスターの解析: 信号電荷分布図• L1が測定した電荷分布図を以下に⽰した• 左: 宇宙線をINTTで測定したときの• 右: L1が複数個クラスターを検出したとき• ⻘: 予想位置に最も近いクラスター ⾚: それ以外のクラスター• 左の分布図と右の⻘線分布図が似ていることから、予想位置に最も近いクラスターは宇宙線であると考えられる
L1 ADC Distribution in single cluster

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L1 ADC Distribution in multi clusters

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複数クラスターの解析: Residual分布図• L0, L2がクラスターを1つだけ検出したとき、L1のResidualを以下の条件で調べた• 緑: L1が1つだけクラスターを検出したとき• ⻘: L1が複数クラスターを検出したときの、予想位置に最も近いクラスター• ⾚: L1が複数クラスターを検出したときの、予想位置から遠いクラスター• 緑と⻘は似た分布をしているため、予想位置に近いクラスターは宇宙線であると考えられる

複数クラスター中の予想位置に最も近いクラスターは宇宙線である
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21検出効率の計算結果
宇宙線測定から求めた検出効率

2021年ビームテストの結果(森⽥修論)

ラダー

検出効率[%]

ラダー

検出効率[%]

L098.98 ± 0.07

L099.53 ± 0.02

L199.51 ± 0.06

L199.39 ± 0.03

L296.20 ± 0.12

L299.56 ± 0.02

• L1の結果は2021年ビームテストで得られた検出効率と⼀致した• INTTの検出効率は99%以上であることが明らかになった• L0、L2はビームテスト時の結果を下回った• 宇宙線は3層のラダーを通過するうちに多重散乱を起こし、3層⽬まで届く前にセンサーの外側に⾶び出してしまう、あるいは遠く離れたセルに⾶ばされてしまう可能性がある• このためL2⾃⾝、そしてL1とL2のクラスター位置を計算の基準としているL0の結果が悪化したと考えられる

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22検出効率のセル位置依存性確認• センサーラダーには⻑さの異なる2種類のセンサーが⽤いられている• センサーの種類によって検出効率に変化がないか確認するため、L1 についてセル番号別に3つのグループに分けて検出効率の計算を⾏った

99.54 ± 0.10%

99.30 ± 0.15%

99.84 ± 0.08%• センサーの種類やセルの位置によらず、検出効率は99%以上であることがわかる

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23検出効率のストリップ位置依存性• ストリップ位置でグループ分けし、それぞれで検出効率を求めた• ストリップの位置によらず、検出効率99%以上であった• 検出効率は両端が少し低く、中央付近が⾼い

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24検出効率のタイミング依存性検証• BCO 1周期 = 106nsecを10nsecごとのタイミングに分け、それぞれでL1 の検出効率を計算した• 全グループ検出効率99%以上である• 検出効率はタイミングに依存しないことがわかった

タイミング

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まとめ
• 宇宙線測定、解析を⾏い、INTTの検出効率の計算を⾏った• L1 の検出効率は99.51 ± 0.06%となり、期待されていた99%以上を達成した• センサーのセル番号別、ストリップ番号別に検出効率の計算を⾏い、それぞれ99%以上である
ことを確認した• 検出効率のタイミング依存性は確認されなかった• センサーラダーおよび読み出し回路は要求されている性能を満たしており、本実験に⽤いることができると確認された• L0、L1の検出効率に⽐べ、L2は96%と低かった• 多重散乱がどのような影響をおよぼすのか確認する必要がある

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今後• 現在、INTT検出器は建設が終わり、インストールを待つ段階にある• sPHENIX実験開始に向けて準備が進んでいる

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BACK UP

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セル差
• 2本のラダーが同じセルにクラスターを1つ持つと仮定したとき、残る1本のラダーがクラスターを持つセルとのセル番号の差をセル差と呼ぶ

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セル差分布図: L0• 左: シングルクラスター• 右: 複数クラスター

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セル差分布図: L1• 左: シングルクラスター• 右: 複数クラスター

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セル差分布図: L2• 左: シングルクラスター• 右: 複数クラスター

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32宇宙線の⾓度分布• 全ラダーがクラスターを1つ検出したときのtrackingから求めた

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宇宙線電荷計算• Bethe-Blochの公式から、0.4GeVのμ粒⼦のエネルギー損失は1.13 [MeV K cm' /g]である

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宇宙線信号電荷計算• Bethe-Blochの公式から、0.4GeVのμ粒⼦のエネルギー損失は1.13 [MeV K cm' /g]である• シリコンストリップの厚み320 [𝜇𝑚]と、シリコンの密度2.33[g/cm( ]から、単位体積あたりのシリコン中で宇宙線が失うエネルギーは• 1.13[MeV · cm' /g] × 0.032[cm] × 2.33[g/cm( ] = 0.0843[MeV]• また、1電⼦正孔対を⽣成するために必要なエネルギー3.44 [eV]から、宇宙線が1シリコンストリップを通過した際に⽣成する電⼦正孔対の数は、••).)+,( × &)! $.
= 23746[個](.// $.
電気素量1.6×100&1[C]より、この電⼦正孔対を電荷量に直すと、• 23746 × 1.6 × 100&1[C] = 3.80[fC]• 読み出しchipの増幅率 100[mV/fC]および オフセット 200 [mV] から、宇宙線の信号電荷は、• 3.80 fC ×100 mV⁄fC + 200 mV = 580 [mV]2023/2/16

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35クラスター中のヒット数分布

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