LHC-­‐ALICE実験における	  超前方光子測定用カロリメーター試作機の	  データ収集系の構築と性能評価	

筑波大学 数理物質科学研究科 物理学専攻	  高エネルギー原子核研究室	  佐藤航、益井宙、伊藤喬一郎、稲葉基、平野勝大	  細川律也、江角晋一、中條達也、塩谷知弘、三明康郎	
15/03/21(Sat)	

日本物理学会 春季大会 2015	

1	

Outline	• Introduc>on	  	  	  	  	  -­‐	  QGPと高エネルギー加速器実験	  	  	  	  	  -­‐	  ALICE実験「FoCal	  Project」と研究目的	  • データ収集系の構築	  	  	  	  	  -­‐	  エレクトロニクス	  	  	  	  	  -­‐	  mmDAQ	  • テストビーム実験	  	  	  	  	  -­‐	  PS/SPSのセットアップ	  	  	  	  	  -­‐	  実験結果	  • まとめ	  15/03/21(Sat)	

日本物理学会 春季大会 2015	

2	

QGPと高エネルギー加速器衝突実験	
QGP	  :	  Quark	  Gluon	  Plasma	  -­‐	  超高温・高密度状態において達成する未知の物質状態	
通常では強い相互作用により核子内に	  閉じ込められている「クォーク」と「グルーオン」が	  自由に飛び回る状態	

高エネルギー重イオン衝突実験による再現	  p-­‐p	  	  	  	  	  	  	  :	  √s	  	  	  	  	  =	  14TeV	  LHC-­‐ALICE実験	 Pb-­‐Pb	  	  :	  √s 	  =	  5.5TeV	
NN

衝突初期状態も未だ解明されていない	
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日本物理学会 春季大会 2015	3	

物理的モチベーション	
・擬ラピディティ	・Bjorken-­‐x	" θ%
η = − ln $ tan '# 2&x=

LeVer	  of	  Indent	  A	  Forward	  Calorimeter(FoCal)	  for	  the	  ALICE	  experiment	

2 pT − yes

高エネルギーの極限ではラピディティと等価 	η ≅ y

ALICEでの実験結果	  前方方向にJ/Ψの粒子生成の抑制の観測	  	  	  -­‐	  どのモデルともあっていない	  	  	  -­‐	  ハドロンはQGP中で相互作用を起こす	  QGP中で相互作用をしない光子での	  詳細な測定が求められている	
CERN-­‐PH-­‐EP-­‐2013-­‐156	
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日本物理学会 春季大会 2015	

4	

FoCal	  Project	  in	  ALICE	
-­‐	  FoCal	  :	  Forward	  Calorimeter		  2γ		  π0	・ALICE実験のアップグレード計画の１つ	  ・2022年のLong	  Shutdown3に完成機	  	  	  導入を目指している		  γ	ALICE	  detector	

・構成	  	  	  電磁カロリメーター 	  	  	  	  	  	  :	  FoCal-­‐E	  	  	  ハドロンカロリメーター	  :	  FoCal-­‐H	・アクセプタンス	  :	  3.3	  <	  η	  <	  5.3	・FoCal-­‐E	-­‐	  高エネルギーのγ/π0の識別	-­‐	  >	  バックグラウンドの除去	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  π0	  -­‐>	  2γ	-­‐>	  直接光子の観測	  z=8m	-­‐>	  電磁カロリメーターの分解能	  σ 20%<EE
15/03/21(Sat)	

CGCの検証、QGPの早期熱化機構の解明が	  期待されている	
日本物理学会 春季大会 2015	

5	

FoCal-­‐E	  Detector	
beam	-­‐	  W/Siのサンドイッチ型サンプリングカロリメーター		  	  	  	  Moliere	  radius	  	  	  	  :	  RM	  =	  9mm	  	  	  	  	  Radia>on	  length	  :	  X0	  =	  3.5mm(1Layer)	
-­‐LGLとHGLのハイブリッド構造	
LGL	  :	  Low	  Granularity	  Layer	 HGL	  :	  High	  Granularity	  Layer	
1×1cm2のシリコン検出層	   1×1mm2のCMOS-­‐pixel検出器	
4Layer(14mm)ごとの読み出し	  エネルギーの測定	  γ/π0の識別	  200GeV	  π0のシミュレーション	
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日本物理学会 春季大会 2015	

6	

研究目的	• 2022年Long	  Shutdown3に完成機導入に向けて	  	  	  	  -­‐	  ORNLによって作成されたFoCal-­‐E試作機LGLの	  	  	  	  	  	  データ収集システムを構築する。	  	  	  	  -­‐	  CERN	  PS/SPS加速器でテストビーム実験を行い	  	  	  	  	  	  エネルギー依存性、分解能などの性能評価を行う。	

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日本物理学会 春季大会 2015	7	データ取得システム	
CERN	  RD51	  groupが開発したエレクトロニクスを使用した	
FoCal	  ・8×8の計64chのシグナル	  	  	  	  -­‐High	  Gain(1/1)	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  0ch〜63ch	  	  	  	  -­‐	  Low	  Gain	  (1/16)	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  64ch〜127ch	  	  APV25	  Chip	  ４０MHzのサンプリング	  プレアンプ・バッファー	

SRS	  
12bitのAD変換	  イーサネットからPSへ	  データを送信	  mmDAQ(DAQレート	  :	  <	  1000Hz)	

27	  >me	  bin	pedestal	

128chの情報	

APV	  header	
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8	

CERN	  PS/SPS	  テストビーム実験	PS	  	  	  2014/9〜10	  :	  T9テストビームライン	  SPS	  2014/11	  	  	  	  	  	  	  	  :	  T4-­‐H8テストビームライン	
・Beam	  	  	  	  -­‐	  粒子	  	  	  	  	  	  :	  e	  ,	  π-­‐	  	  	  	  -­‐	  運動量	  :	  2~10(PS)	  ,	  30,	  50(SPS)	  GeV/c	  ・Trigger	  	  	  	  -­‐	  Scin>llator	  1×1cm2	  	  	  	  -­‐	  Scin>llator	  10×10cm2	  	  	  	  -­‐	  ガスチェレンコフ検出器(PSのみ)	

SRS	  &	  Power	  Supply	Black	  Box	

Beam	

Beam	
1×1cm2	

LGL	
15/03/21(Sat)	

10×10cm2	

scin>llator	
日本物理学会 春季大会 2015	

cherenkov	
9	エネルギー依存性	
・PSにおいては2~4GeV(High	  Gain)、SPSにおいては30GeV、50GeV(Low	  Gain)	  	  	  でシグナルのエネルギー依存性がみられた。	

SPS	  DATA	EventEventPS	  DATA	
0.04
2GeV

0.035

0.12
30GeV

3GeV

0.1
50GeV

4GeV

0.03

0.08
0.025
0.06

0.020.015

0.04

0.01
0.020.005
0020004000

6000

8000 10000 12000 14000
ADC[ch]001000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
ADC[ch](1/16)

・High	  Gainで5GeV以降はエネルギー依存性は見られなかった。	  	  	  	  	  -­‐	  ガスチェレンコフ検出器のエフィシェンシー、シグナルの飽和が原因と考えられる	

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日本物理学会 春季大会 2015	10	

線形性・エネルギー分解能	
・線形性	

・エネルギー分解能	
Energy resolution[%]

ADC[ch]3120 ×10

PS data100

SPS data × 1680

ADC[ch] = 1272.5 × Energy[GeV] + 17.7

70(20.7)2+1.12E60(62.9)2+14.92
E50Data

4060304020200010102030405060
Energy[GeV]

01・50GeVを除き線形性が見えている	  ・エネルギー分解能はシミュレーションと比較して悪い	  	  	  -­‐	  ノイズにより分解能が悪くなっている	  15/03/21(Sat)	

10102
Energy[GeV]! σ1 $σ (E) σ
2= = #&+σ 0" E%Eµσ 1 :	  統計項	日本物理学会 春季大会 2015	

σ 0 :	  定数項	11	

まとめと今後	
・FoCal-­‐E	  LGL試作機のための、データ収集系システムをCERN	  	  	  RD51	  groupの開発したエレクトロニクスを使用して構築した。	  
・CERN	  PS/SPSテストビームラインにて、初めての性能評価を行った。	  	  	  	  	  -­‐	  High	  Gainで2〜4GeV、Low	  Gainで30GeV、50GeVでエネルギーに対する	  	  	  	  	  	  	  シグナル依存性を確認した。	  	  	  	  	  -­‐	  シミュレーションと比較してエネルギー分解能が良くない。	  	  	  	  	  -­‐	  ノイズの低減の問題に対して、現在使用しているエレキの見直しが必要。	  

・ 次回テストビーム実験に向けて	  	  	  	  -­‐	  2015年10月〜11月にCERN	  PS/SPSで行われる予定	  	  	  	  -­‐	  今回のテストビーム実験ではHGLとは別のDAQシステムを使用しており	  	  	  	  	  	  	  データのマージができなかった。データをマージするためのトリガーコン	  	  	  	  	  	  	  バーターの研究開発が必要である。	  

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日本物理学会 春季大会 2015	12	

ご清聴ありがとうございました。	

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日本物理学会 春季大会 2015	

13	

The	  LCH	  Timeline	

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日本物理学会 春季大会 2015	

14	

カラーグラス凝縮	
CGC	  :	  Color	  Grass	  Condensate	-­‐	  高エネルギー状態で達成する原子の初期状態	
ハドロンはそれらを構成するクォークからなるが	  高エネルギー状態でのハドロンの構成要素は	  グルーオンが高密度に飽和した状態	

参考文献	  :HERA-­‐Ⅱ:高輝度化の歩みと物理	

高エネルギー極限のQCDで予言	  -­‐	  高エネルギー衝突型実験で理論モデルのパラメーターの決定・検証	
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日本物理学会 春季大会 2015	

15	

FoCal-­‐E	  strawman	  design	-­‐	  LGL	  beam		  	  	  アブソーバーのWによって発生した	  	  	  	  シャワーを1×1cm2のSi検出器で計る	
・ビーム方向にセグメント毎に分けられ	  	  	  	  	  4	  Layer	  で 1	  モジュールを構成する	  -­‐>	  4layerをSumした値を読み取る	

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日本物理学会 春季大会 2015	

16	

FoCal-­‐E	  strawman	  design	-­‐	  LGL	  	  	  	  ・Summing	  boardの出力は全128ch	
beam	-­‐>	  0ch	  	  〜	  63ch	  	  	  	  :	  1/1	  	  	  	  Posi>ve	  signal	  -­‐>	  64ch〜	  127ch	  	  :	  1/16	  Nega>ve	  signal	  読み出し極性を変えるとGainを変える事ができる	

製作	  :	  Oak	  Ridge	  Na>onal	  Laboratory(U.S)	

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日本物理学会 春季大会 2015	

17	

FoCal-­‐E	  strawman	  design	-­‐	  HGL	  	  	  	  ・1mm2毎の読み出しができるCMOS-­‐pixel検出器	  	  	  	  ・シャワーの形がわかるので、γ/π0識別が可能	  beam	

製作	  :Utrecht	  University(Nederland)	

LeVer	  of	  Indent	  A	  Forward	  Calorimeter(FoCal)	  for	  the	  ALICE	  experiment	

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日本物理学会 春季大会 2015	

18	

DAQレートのテスト	

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ノイズ対策	
Summing	  boardとAPVを短い	  グランド線で繋ぐことにより	  大幅なノイズの削減に成功	

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日本物理学会 春季大会 2015	20	

ノイズ対策	・ノイズレベルが高い問題ことが問題であった	  	  	  ノイズソースとして	  200	  	  -­‐	  金属製固定用治具	  180	  	  -­‐	  電源ライン	
160std[ch]Noise source test

APV with FoCal
High voltage ON

140

LGL1Pedestal m [ch]APV only200

Low voltage ON

120

180
160
140

SPS Negative100

SPS Positive80

PS Positive

60
40

120

20

100

0080

2040

60

80

100

120

apv_ch60
40200
01015/03/21(Sat)	

2030

40

50

60

70
apv_ch・SPSでは低リップルな安定化電源を導入	  ・非伝導のプラスチック製治具の導入	  ノイズレベルが30%程度減少	  	日本物理学会 春季大会 2015	

21	

アプリケーション	

Data	  ﬂow	  chart	

mmDAQ	  	  -­‐	  ATLAS	  micromegasのDAQ	  System	Run	  control	online	  monitoring	conﬁgura>on	

15/03/21(Sat)	

日本物理学会 春季大会 2015	

22	

Data	  ﬂow	  chart	

アプリケーション	
27	  >me	  bin	pedestal	

128chの情報	

APV	  header	
ゼロサプレッション	

Qsum / N timebin < Pedstddev • A
Qsum	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  :	  全タイムビンの和	  N>mebin	  	  	  	  	  :	  タイムビン数	  pedstddev	  	  	  :	  ペデスタルの標準偏差	  A	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  :	  User	  factor	
15/03/21(Sat)	

-­‐run	  mode	  	  	  pedestal	  -­‐>	  各タイムビンの平均値	  標準偏差などを計算	  	  	  physics	  	  	  	  -­‐>	  読み込んだペデスタルファイルから	  ペデスタルを差し引いた状態で	  データを保存	  日本物理学会 春季大会 2015	

23	

Channel	  Mapping	
MSR-­‐006-­‐R0-­‐2013-­‐FOCAL	

mmDAQの出力チャンネルに対応したMAPを作成	

Y	
基盤、設置の関係からLGL1を基準に取った時	  LGL2	  :	  中心に対して点対称	  LGL3	  :	  Xに対して線対称	  LGL4	  :	  中心に点対称かつXに対して線対称	

15/03/21(Sat)	

X	

日本物理学会 春季大会 2015	

24	

Data	  format	
・mmDAQのデータはrootファイルとして出力	  	  	  	  apv_evt	  	  :	  イベント数	  	  	  apv_id	  	  	  	  	  :	  	  APVのID	  	  	  apv_ch	  	  	  	  :	  	  APVのチャンネル	  	  	  apv_q	  	  	  	  	  	  :	  	  27	  >me	  bin	  の生データ	  apv_ch

apv_idRawSignal
ADC[ch]

×103
20000

600

18000

500

16000

700
600
500

14000

400

400
12000

300

10000

300

8000

200

200

6000

100

4000

100

02000

0012315/03/21(Sat)	

4567
apv_id0020406080100

日本物理学会 春季大会 2015	

120
apv_ch

0

5

10

15

20

25
time bin[25nsec]

25	

	  Hitの定義と解析に使用した値	
ADC・ペデスタルのフラクチュエーションを各LGL、Padに対して計算	
LGL1 ADC X0 Y0
ガウス関数でFit	"$ ( x − µ )2 &$f ( x ) = A •exp #−'2$% 2σ $(4000
3500
3000
2500

A	  :	  constant	  μ	  :	  mean	  σ	  :	  sigma	

2000

以下の条件に当てはまったものをHitとみなした	1500
1000

apv _ q max > µ + 4σ500
0-500 -400 -300 -200 -1000100 200 300 400 500
ADC

ADC[ch]RawSignal
700

apv_qmax	  -­‐>各>me	  binの最大値	

600
500
400
300
200
100
005101515/03/21(Sat)	

2025
time bin[25nsec]

日本物理学会 春季大会 2015	

26	

シグナルの飽和	・ビームを当てた時のFoCalのシグナルが飽和している	  	  	  	  -­‐	  High	  Gainは2GeVですでに飽和していた	  	  	  	  -­‐	  Low	  Gainは50GeVでシグナルが飽和している	

Qmax
Pedestal
Cut LGL2
Qmax
Pedestal
TimeTime
Cut LGL2
8000

2500 7000

8000
1200 1000

1500 4000

400 3000

1000

2000

1000 6000
800

3000

600

2000

2005001000
01400

50004000001500
160010000

2000

5000

500
200

400
1000 600 1500
800

1000
2000 1200 2500
1400
ADC[ch]ADC[ch]2GeV	  HighGain	
15/03/21(Sat)	

00400
1000
002000

1800

6000

600

14000
2200
200012000

7000

800 6000

ADC[ch] Event

3000

Qmax
Qmax
PedestalPedestal
TimeTime
Cut Cut
LGL3
LGL3
Event

8000

1000

Event

Event

Event

Event

Qmax
Qmax
PedestalPedestal
TimeTime
Cut Cut
LGL1
LGL1

200
500
200

400
1000 600 1500
800

1000
2000 1200 2500
1400
ADC[ch]ADC[ch]

00500
4000

2000
0000 500
200 5400
1000
600 1500
800
10151000
2000 1200
2500
1400
2025
ADC[ch]ADC[ch]time bin[25nsec]

50GeV	  LowGain	
日本物理学会 春季大会 2015	

27	

! σ1 $
σ (E) σ2= = #+σ& 0"EµE%

σ 1 :	  統計項	σ 0 :	  定数項	Fitした結果から	  σ1	  =	  62.9、	  σ2	  =	  14.9	
シミュレーションでは	  σ1	  =	  20.7、	  σ2	  =	  1.1	Energy resolution[%]

エネルギー分解能	
70(20.7)2+1.12
E60(62.9)2+14.92
E50Data

403020100110102
Energy[GeV]・シミュレーションと比較してエネルギー分解能が悪い	  	  	  	  -­‐	  統計項はシャワーの粒子数に依存する。Si検出器、及びエレクトロニクス部分で	  	  	  	  	  	  シグナルの飽和がおきシャワー中の粒子数をきちんと計測できていない	  	  	  	  -­‐	  定数項では現在のノイズレベルが高いことに起因	
15/03/21(Sat)	

日本物理学会 春季大会 2015	28	

EventMIPシグナル	300

250200

150

100

50

0015/03/21(Sat)	

5000

10000 15000 20000 25000 30000 35000
ADC[ch]日本物理学会 春季大会 2015	

29	

2GeV

0.035

3GeV
4GeV

0.03

Event

Event

0.04

0.16

8GeV

0.02

0.08

0.015

0.06

0.01

0.04

0.005

0.02

15/03/21(Sat)	

4000

6000

8000 10000 12000 14000
ADC[ch]

10GeV

0.12
0.1

2000

6GeV

0.14

0.025

005GeV002000

日本物理学会 春季大会 2015	

4000

6000

8000 10000 12000 14000
ADC[ch]30