ALICE 実験のための PWO カロリメータの宇宙線を用いたエネルギー較正

ALICE実験のためのPWOカロリメータの宇宙線を用いたエネルギー較正ALICE実験のためのPWOカロリメータの宇宙線を用いたエネルギー較正広大理　尾林秀幸岩崎天　植木祐介　坂口拓明　志垣賢太　杉立徹中馬文広　鳥井久行　日浅貴啓　日栄綾子　翠純平 2010年3月22日日本物理学会2010年春季大会（@ 岡山） 2010 JPS

内容 • LHC/ALICE/PHOS • 本実験の目的 • テストベンチ • 解析手法 • 結果とまとめ 2010 JPS

Heavy Ion Collisions at LHC p+p s =14 TeV Pb+PbsNN=5.5 TeV EnergyLHC = 28 x RHIC =320 x SPS = 1000 x AGS ＣＭＳ実験ＬＨＣｂ実験ＡＴＬＡＳ実験ＡＬＩＣＥ実験 3/22/2010 JPS 2010 3 2010 JPS

Collaboration: > 1000 Members>100 Institutes > 30 countries Detector: Size: 16 x 26 meters Weight: 10,000 tons JPS 2010 4

18cm 2x2cm 2.2x2.2cm2 PbW04 crystal 5x5mm APD: Hamamatsu S8148/S8664-55 PHOSカロリメータ PbWO4 Crystal • Fast Signal (~nsec) • Operation at -25deg • Small Moliere Radius (2cm) Good 2 photon Separation Avalanche Photo Diode (APD) • High Q.E.(60%-80%) • Thin photo-sensor • Operational in magnetic field PbWO4 Crystal • Fast Signal (~nsec) • Operation at -25deg • Small Moliere Radius (2cm) Good 2 photon Separation JPS 2010

目的 • ALICE実験PHOS検出器のチャンネルのゲインを揃えることによって、ダイナミックレンジを広くし、トリガー性能を揃え、オフライン解析に役立てる • PHOS検出器において、宇宙線を用いてどの程度までゲインを揃えることができるか調べる • PHOSを再現した読み出しシステムであるテストベンチを広島大学に構築する • 解析手法としてアイソレーションカットとクラスター法の２種類を用い、両手法の利点と欠点を定量的に評価する JPS 2010

テストベンチ トリガー以外、PHOSと同じ回路プラスチックシンチレータのHV 上：-1500 V, 下：-1550 V 冷蔵庫内温度　－２５℃ PHOS実機を再現 JPS 2010

実験風景

得られる信号 100 ns / count 100 ns / count 100 ns / count 100 ns / count ADC count ADC count ADC count ADC count • パルス高 • イベントごと、チャンネルごとに生データをガンマ関数でフィットし、宇宙線の落としたエネルギー情報を得る • パルス高がエネルギーに対応 JPS 2010

アイソレーションカット ×○ PWO結晶 (横から見た図) 宇宙線が一つのPWO結晶のみを通過するイベントを選び出す方法解析アルゴリズム主要部: パルス高> Threshold(A) 周辺部: パルス高< Threshold(B) アイソレーションカットのパルス高= パルス高(主要部) 解析の一例 (数字：パルス高の値) 赤：周りで最大かつ 8(A)以上青： 2(B)以下アイソレーションカットのパルス高= 20 0.5 1 0 1.5 20 0.8 0.6 1 0.2 PWO結晶(上から見た図) rate ~ 1.34 × 10-4 sec-1(一日で 12 events / crystal) エネルギー損失量が正確に分かるが、レートが低い JPS 2010

クラスター法 宇宙線が複数のクリスタルへ落したエネルギーを足し合わせる方法解析アルゴリズム主要部: パルス高> Threshold(A) 周辺部: パルス高> Threshold(C) ジオメトリー上の制限により、宇宙線が通過するクリスタルの本数は3本程度 ∴ 3×3のクラスターで十分クラスター法のパルス高= パルス高(主要部) + パルス高(周辺部) 解析の一例 (数字：パルス高の値) 赤：周りで最大　かつ 8(A)以上橙： 4(C)以上クラスター法の p0 = 10+5+7 = 22 2 3 1 2 10 7 1 5 3 rate ~ 3.35 × 10-3 sec-1(一日で 290 events / crystal) 短期間でのエネルギー較正が可能だが、イタレーションが必要 JPS 2010

APDバイアス電圧調整前 クラスター法で解析解析条件 Threshold(A) > 約8 [ADC count] Threshold(C) > 4 [ADC count] 29個のエネルギー分布のピークの平均値: 30.3 標準偏差: 18.4 エネルギー分解能 σ / E: 0.27 (@ 真ん中のクリスタル) (各クリスタルで異なるため) アイソレーションカットで解析解析条件 Threshold(A) > 約8 [ADC count] Threshold(B) < 2 [ADC count] 29個のエネルギー分布のピークの平均値: 32.3 標準偏差: 22.9 エネルギー分解能 σ / E: 0.14 (@ 真ん中のクリスタル) JPS 2010

APDバイアス電圧調整後(1) クラスター法で解析解析条件 Threshold(A) > 約8 [ADC count] Threshold(C) > 4 [ADC count] 29個のエネルギー分布のピークの平均値: 39.1 標準偏差: 4.6 エネルギー分解能 σ / E: 0.20 (@ 真ん中のクリスタル) * クラスター法で求めたピークを元にHV調整を行ったアイソレーションカットで解析解析条件 Threshold(A) > 約8 [ADC count] Threshold(B) < 2 [ADC count] 29個のエネルギー分布のピークの平均値: 38.1 標準偏差: 6.2 エネルギー分解能 σ / E: 0.14 (@ 真ん中のクリスタル) JPS 2010

APDバイアス電圧調整後(2) クラスター法で解析解析条件 Threshold(A) > 約8 [ADC count] Threshold(C) > 4 [ADC count] 29個のエネルギー分布のピークの平均値: 32.8 標準偏差: 1.3 エネルギー分解能 σ / E: 0.21 (@ 真ん中のクリスタル) * クラスター法で求めたピークを元にHV調整を行ったアイソレーションカットで解析解析条件 Threshold(A) > 約8 [ADC count] Threshold(B) < 2 [ADC count] 29個のエネルギー分布のピークの平均値: 31.6 標準偏差: 2.0 エネルギー分解能 σ / E: 0.18 (@ 真ん中のクリスタル) JPS 2010

較正回数による変化 エネルギー分解能 (@ 真ん中のクリスタル) 標準偏差/平均値 (チャンネルのゲインのばらつき具合) 較正回数較正回数 • クラスター法でのばらつきは収束した • 回数によらず、ほぼ一定 • アイソレーションカットがクラスター法の約0.7倍 JPS 2010

結果とまとめ • 広島大学にPHOSを再現したテストベンチを構築した • アイソレーションカットおよびクラスター法を用いて、宇宙線のMIPシグナルのチャンネル間のばらつきを、それぞれ6.3%、3.9%で揃えることができ、十分な精度が得られることを確認した • シグナルレートはクラスター法が約25倍高く、分解能はアイソレーションカットが約0.7倍よい • ALICEでとられている宇宙線データに対しても、両手法を用いて解析をする予定である JPS 2010

Back up JPS 2010

無機シンチレータ間の比較 PWOの長所: エネルギー分解能・時間分解能がよい短所: 発光量が小さい JPS 2010

データの読み出し APD CSP PWOクリスタル FEE board 光量→電荷量電荷量→電圧アナログ信号→デジタル信号荷電粒子が通過すると、 (1) シンチレーション光の発生 (2) APDで増幅 (3) CSPで増幅・整形 (4) FEEでデータのサンプリング JPS 2010

L3マグネット ALICE検出器 PHOS / テストベンチの比較 APD CSP PWOクリスタル FEE board 各チャンネルでのデータ収集回路は同じ異なるのは (1) トリガー方法 (2) 磁場の有無 (3) 読み出しチャンネル数 PHOS: 3584個/1 module テストベンチ: 29個 JPS 2010

FEE board

ガンマ関数 p0:ピークの値 P1:シグナルまでの時間 p2:立ち上がり時間 p3:ペデスタルの平均値 p4: ガンマ関数のオーダー ※Sampling ADCでは、シグナルが来る15カウント前から記録される JPS 2010

L = 18cm PbW04 crystal 2.2x2.2cm2 dE/dx = 9.4 MeV/cm 予想されるエネルギー損失 • 最小電離損失粒子(MIP)のエネルギー損失 ΔE=dE/dx × L =9.4[MeV/cm] × 18[cm] =169.2[MeV] (34[ADC count] @ ゲイン50) 最小電離損失 1[ADC count] ⇔ 5[MeV] JPS 2010

PWOクリスタルのエネルギー分解能 エネルギー分解能期待値実験値アイソレーションカットでσE/E ~ 0.14 クラスター法で σE/E ~ 0.20 JPS 2010

シグナルのゲインに寄与するもの PWOの発光量、APDの増倍率、CSPの増倍率、FEEのアンプの増倍率寄与寄与宇宙線: ~4GeVのエネルギーを持ち、PWO中でエネルギー損失する LED: ~数eVのエネルギーを持ち、PWO中でエネルギー損失しない LEDと宇宙線を組み合わせれば、短期間でのエネルギー較正が可能となる JPS 2010

データセット APDのHV値を調整 JPS 2010

HVの調整方法 LEDを用いてAPDのHV-ゲイン曲線を作り、p0ピークの値が目標値34[ADC count]となるようなAPDのHVの値を求める次の宇宙線測定で印加するHV値次の宇宙線測定で印加するHV値 (@ (0,13)) 例前の宇宙線測定で印加していたHV値これを全ての読み出しチャンネルについて行う p0ピーク値が34となるAPDのゲインを見積もる JPS 2010

ペデスタルラン • アイソレーションカット/クラスター法で用いたThreshold(A)の値はペデスタルランから求めた。各チャンネルでノイズを99%カットできる点をThreshold(A)として採用した 4~10 ADC count (20~50 MeV @ gain 50) 0 20 p0 JPS 2010

Thresholdの値 Threshold(A) 以後出てくる表はTest Benchのクリスタルを上から見たときの配置を元に書いています(本文と対応した配置) ※数字の単位は [ADC count] Threshold(B,C) アイソレーションで2.0、クラスターで4.0と設定クリスタルを横から通過した時の値 (トリガーにかからない宇宙線を排除) クリスタルがないときのノイズをほぼ100%カット (前のスライドの右上(7,12)より) JPS 2010

APDの印加電圧値 HV調整前数字の単位は[V] JPS 2010

APDの印加電圧値 HV調整後(1) 数字の単位は[V] JPS 2010

APDの印加電圧値 HV調整後(2) 数字の単位は[V] JPS 2010

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