Prototype tests for the ALICE TRD

Prototype tests for the ALICE TRD 何なんだTRD!!!

motivation

ALICEとTRD • 1~100GeV/cでの電子の同定 • ALICEの目標:2GeV/C以上でpion rejection power>100

TRDのおおきさ • ALICEのTRDはこの辺にありますこれ

全体像

TR(遷移輻射)？ どんな現象？

物質と粒子の相互作用 • 荷電粒子 • 電離・励起 • チェレンコフ放射 • 制動輻射 • 遷移輻射 • 光子 • 光電効果 • コンプトン散乱 • 電子対生成

荷電粒子の相互作用 電離・励起チェレンコフ放射遷移輻射 • 高速荷電粒子が誘電率の異なる境界を通過するとき電磁波を放出する • 電気分極の時間変化による放射のコヒーレントな結合 • 荷電粒子が物質中を通ると、クーロン力により力を物質中の電子に与える • そのエネルギーにより電子が離れたり、ほかの軌道に移ったりする • 媒質中をそこでの光速より速く粒子が通過すると、電磁波が放射される制動放射 • 荷電粒子の速度が変わると、電磁放射線をだす • 連続スペクトル

光子と物質の相互作用

Formationzone • 干渉性が保持される距離 • Formationzone程度の厚さのときのみ、よいTR強度が得られる

総TRエネルギー 強度はγに比例する γが大きくなるとformationzoneが大きくなるので強度はある大きさで止まってしまう

角度 • 角度はθ～1/γでピークをもつ • 実際の測定で測るには大きな装置と、高い位置分解能が必要

RadiatedTR spectrum • エネルギーの大部分はX線領域に放出される • 境界が多数あるとコヒーレントに結合する • γが大きいと高いエネルギーのX-rayのほうが強くなる

Detector

検出器の種類 • シンチレーション・カウンター(S) • チェレンコフ・カウンター(Ch) • ドリフトチェンバー(DC) • Pb-glass　カロリメーター(Pb) • 多線式比例計数箱(MWPC) • Silicon strip detector これって何をするの？

シンチレーション・カウンター • 主に時間の測定に用いられる • 荷電粒子がシンチレータを通過すると中の物質を励起させ、基底状態に戻るときの可視光を、光電陰極におくる • それをPCで増幅して観測する • シンチレータの条件 • 減衰長が長い • 最大蛍光量が大きい • 時間分解能の原因 • PCでの伝播時間の揺らぎ • シンチレータやライトガイド内での光路長の違い二つ以上用いてstart－stopを管理する

チェレンコフ・カウンター • 主に粒子の同定に用いられる • 物質内での光の伝播速度より速い粒子が通ると発生 • チェレンコフ光の性質はβ,λ(波長),θ(進行方向との角度)に依る • 高い時間分解能 • 識別方法 • 閾値を決める(運動量が同じで質量の違うときβが異なるため) • 絞りをつける(βが大きくなるとθが大きくなるので、θでの光量を測定する) Electron triggerに使える 1GeV/cのとき、 γe～2000、γpi～10 光量の分布でも粒子識別は可能 • 入射方向が一定でない場合は • チェレンコフ・リングイメージ検出器(RICH)を使用 Electrontriggerに使える

ドリフトチェンバー　→今回のメイン • 主に位置の測定に用いられる • PCでは粒子の通過時刻と陽極パルスの立ち上がりはとの時間差⊿tは、一次電離の発生点とアノードワイヤーとの距離に正確な相関がある • 粒子の通過時刻と、パルスの立ち上がり時刻がわかれば一次電離の発生点がわかる • ドリフト速度が一定なら発生点までの距離は v⊿t • 電場の一定に保ちたい→ワイヤーの張り方

Pb-glass calorimeter Crystal(NaI,Pb-glass) サンドウィッチカロリメーター EMCALの一種→高エネルギーγ線のエネルギー測定シャワーによって生じた電子、陽電子による蛍光またはチェレンコフ光を観測 • エネルギー分解能◎ • 取り扱い難、高価シャワーを作る物質(鉛、タングステン等)＋シャワー電子の測定器　を重ねたもの • 信号が早い • 位置精度が悪い

多線式比例計数箱(MWPC) • 主に位置の測定に用いる • PCがたくさんあるイメージで、電離が起きた近くのワイヤーにパルスが現れる

Silicon strip detector • 位置の測定に用いる • 素粒子がシリコン検出器内を通り抜けると、電子とホールができ、電子はプラス、ホールはマイナスの電極へ集められ、ストリップ上に電気信号が発生する • 信号が検知された両面それぞれのストリップの位置から位置を決定する

Drift chamber まずはdetector

大体の構造 • Xe/CO2はTRの吸収がよい • 大きさは0.5×0.6㎡ • Anode：W-Au20μm • Cathode：Cu-Be 75μm • Entrance : aluminized kapton 25μm 6mm 5mm 30mm • TRによるシグナルと電子によるシグナルはほぼ重なる 48mm

電子雪崩 γ ガス • TRの吸収がなるべく良いもの→Xe • クエンチャー紫外線の不安定性を取り除く→CO2

Source tests • Anode,Cathode電圧や、gasgain, エネルギー分解能を決めるため、まずはわかっているものでテストをする • 55Feからの軟X線(5,9keV)

Beam tests(1)→setup • S1,S2→beam trigger • Ch→electron trigger(取りこぼしあり) • Ch & Pb→測定結果から適当なものを選ぶのにつかう

Beam tests(2) • Chでの光量とPbでの光量には正の相関がある、 • 閾値を決めて粒子識別をする • 結局一番よさそうな状態は • 90% Xe+10% CH4 • Ud=-4.0kV, Ua=1.6kV • Gas gain ~ 8000 • 酸素は10ppm以下に保つ

読み出し • Cathodepadの読み出しは20MHz • (Drift velocityは1.5*10^-3mm/ns) • Drift timeは2μs以上 • よって7.5mm以上の精度で読み出せる

Radiator なにを選ぼうかなぁ

テストの仕方 • Drift time vs PH • FADCが使われる • それを全てのpadについて平均を取るテストビーム

解釈 TR Amplification region Drift region Ion tail Electron attachment

テストしたradiatorの種類 • 大きく分けてfoil, fiber,foamを使った • Radiatorの厚さは3-10cm

Radiatorの違い • Drift regionを4分割 • <PH>e/<PH>piが大きいほうが識別しやすい • Fiberは使える(軽い) • (密度は小さいほうがよい) • Form1,form3は使えそう

Aliceでは結局・・・ • TR • ALICEでの形・大きさ • 圧力に対する強度(変形しないように) などなど考慮した結果 • Fiberとfoamのサンドイッチ型がよい

Pion rejection factor

Distribution(simulation) エネルギー分布大きなクラスターの位置 • TRによってエネルギー分布はelectronのほうが大きいほうにシフトしている • TRがentrance window付近で多い (pionはほぼ一様)

Chamberの数 • たくさんチェンバーがあったほうがelectronの分布が見やすい • ALICEでは6層です

Pion rejection factor Pion rejection factorを決める3つの方法 • TMQ→平均値を使う • L-Q→可能性を使う • L-QX→L-Qとlargest clusterの位置をつかう

L-Q,L-QX • Likelihoodが90%のときのcountの比をpionrejection factorとする

Efficiency • Pionrejection factorを決める値 • L-QXが一番よい(左:90右:150) • 2GeV/cまではエネルギーが上がるごとに良くなっている(さらに上がるとだんだん悪くなっていくようです)

おしまい ありがとうございました

Prototype tests for the ALICE TRD