Beam Test of the ILC Scintillator-Strip Electromagnetic Calorimeter at Fermilab 2008/11/10 魚住

Jet Energy Measurement at the ILC experiment e+e- collider with center-of-mass energy at 500 ~ 1000 GeV. ILD (International Large Detector) is one of the detector concepts proposed for the ILC experiment. Various precision measurements expected: e+e- g H, W, Z, tt, SUSY, etc … g Multi-jets final states. Particle Flow Algorithm (PFA) allows precise jet-energy measurement . ETOT = pe+ p + pcharged hadron + E + Eneutral hadron [ tracks only] [calorimeter only] Separation of jet particles in the calorimeter is required for the PFA g Fine granular calorimeter is necessary.

PFAのための検出器設計 “Figure of Merit for the PFA” 検出器の大きさ(CAL内径)が最も重要 B : Magnetic field R : CAL inner radius σ: CAL granularity RM : Effective Moliere length 　検出器の大きさ(CAL内径)が最も重要 　磁場、カロリメータ分割サイズも重要

？ 衝突点に置かれる検出器（候補） ILD SiD LDC GLD 4th CAL半径 ~1.8 m 磁場~3.5Tesla 小さめ (CAL内径1.27 m) 磁場5Tesla カロリメータは 全てシリコン 大きさはそこそこ (CAL内径1.6 m) 磁場4Tesla ECAL … シリコン HCAL … シンチレータ 大きめ (CAL内径2.1 m) 磁場3Tesla カロリメータは 　全てシンチレータ 4th ILD CAL半径 ~1.8 m 磁場~3.5Tesla ECAL … Si or Sci HCAL … Scintillator ？ PFAを使わない

シンチレータストリップカロリメータ シンチレータストリップ+タングステンによる サンプリングカロリメータ 3Teslaの磁場中に置かれる 　サンプリングカロリメータ 3Teslaの磁場中に置かれる Particle Flow Algorithm のため、 カロリメータ内での粒子の識別が必要 　⇒ものすごく細かく分割した構造になってしまう。 1 x 5 cm程度のシンチレータの板を 組み合わせて実現。 合計数千万チャンネル

ハードとシミュレーション両面からの実証が必要。 特に実際にプロトタイプを作って動作を実証する 事がとても重要。 → ビームテスト 本当に数千万チャンネルのカロリメータが実現 できるのか？（コスト、複雑さ、信頼性…） MPPC読み出しは問題ないか？ ストリップ構造でのデメリットは？ （ゴーストやクラスター分離の問題） 本物のヒット ゴーストヒット ハードとシミュレーション両面からの実証が必要。 特に実際にプロトタイプを作って動作を実証する 事がとても重要。 →　ビームテスト

Fermilab Meson Test Beam line Meson beamline Main injectorからの150 GeV 陽子ビームから二次粒子を生成 1-32GeVの電子、1-60 GeVの 　p中間子、m粒子ビーム等が利用可能 Tevatron (980 GeV) Main injector (150 GeV)

CAlorimeter for the LInear Collider Experiment 281 physicists/engineers from 47 institutes and 12 countries coming from the 3 regions (America, Asia and Europe) Main Task : Develop fine granular calorimeter for Particle Flow Algorithm at the ILC experiment. ECAL : Silicon-Tungsten Scintillator-Tungsten MAPS (Monolithic Active Pixel Sensor) HCAL : Analog HCAL Digital HCAL Done in May & Jul Sep running!

The Scintillator-ECAL Test Module Sandwich structure with scintillator-strips (3 mm) and tungsten layers (3.5 mm). Extruded scintillator and new generation photon sensor (MPPC) are fully adopted. Strips are diagonally aligned in alternate layers. 72 strips x 30 layers = 2160 channels. Overall size ~ 20 x 20 x 25 cm. Scintillator strip (4.5 x 1 x 0.3 cm) 1600 pixel MPPC WLS fiber

Beam Test in Sep 2008 @ MTBF Objective : Test feasibility of Scintillator-ECAL + Analog HCAL with various types of beams in wide energy range. Energy resolution, Linearity for electrons and pions. Position and angular scan. p0 reconstruction ability of the Scitillator-ECAL MPPC gain monitoring system with LED. Beam running during Sep 3rd – 30th at MT6.

Schedule Setup … Aug 17th – Sep 3rd (17 days) Detector commissioning … Sep 4th – 8th (5 days) MIP calibration … Sep 9th – 13th (4.5 days) Precise strip scan with MIP … Sep 13th – 16th (3 days) Energy scan with electrons … Sep 16th – 20th (4.5 days) with pions … Sep 21th – 23th (2.5 days) p0 run … Sep 23th – 24th (1.5 days) Tilt angle scan … Sep 25th – 26th (5 days) MIP calibration for HCAL … Sep 27th – 29th (3 days) 120 GeV proton run … Sep 30th (1 day)

Very Preliminary Results Electron energy spectra 1 3 6 12 16 25 32 GeV 16 GeV e- (ScECAL only) ScECAL linearity for electron 16 GeV p-

p0 runs (Very preliminary!) Ability of p0 reconstruction from 2g is useful to improve jet energy resolution. Generate p0 by putting iron on beamline and injecting 16-32 GeV p- beam. Try reconstruction of the generated p0 with Scintillator-ECAL. p0 detection is successful! p0 ->2g

Gain monitoring by LED and notched fiber 約70%のチャンネルでMPPCの 　ゲイン測定に成功。 残りのチャンネルについては、光の 　分配は成功しているが、読み出し用 　電子回路のノイズが大きくて測定できず。 解決は今後の課題。 Notches

まとめ ビームテストは無事終了し、いくつかのトラブルにも関わらず予定通りデータ収集を行うことができた。 データ解析は進行中だが、preliminaryな結果は Scintillator-ECALの十分な性能を示しており、 今回の結果でfeasibilityを確立できると思われる。 特にp0 runは初の試みだったが、無事成功した。 より精密な性能評価や、更なるp0再構成の研究の 　 ため、来年春くらいに再度データ収集を計画中。

Backup

Beamline setup

MIP calibration ADC counts MIP response mapping

Strip response non-uniformity MPPC Scintillator strip Drop-off of the gain at far side ~ 12 %. Much improved from DESY BT (was ~50% with extruded strips.) More precise analysis will be done With DC tracking information. Strip response (ADC counts) Position along the strip (cm)

Uniformity Signal (ADC counts) Beam position (mm) reference extruded good matching extruded reflector bad matching extruded reflector good matching extruded TiO2 No fiber Kuraray reflector 　thickness:2mm Signal (ADC counts) extruded TiO2 Kuraray reflector Kuraray reflector reference Beam position (mm)

The Scintillator-ECAL prototype Consists of 30 layers 72 scintillator strips in a layer 2160 channels in total

ILC実験 – スケジュール Global Design Effort Project LHC Physics 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Global Design Effort Project LHC Physics Baseline configuration Reference Design Technical Design ILC R&D Program Bids to Host; Site Selection; International Mgmt Barish

GLD検出器 大きさ 約15x15x15 m 重さ 約１００００トン 衝突点をほぼ全角度覆って 終状態をきっちり測定する。 横運動量欠損（ニュートリノ等）や 　　未知の信号の測定もばっちり。 ジェットのエネルギーも精度よく 　測定する。 紫: バーテックス検出器 赤: 飛跡検出器 　　（荷電粒子の運動量測定） 緑: カロリメータ（エネルギー測定） 灰: 超伝導磁石(3Tesla) 青: ミューオン検出器

Z-pole Energy Resolution • Z → qq @ 91.18GeV CAL Energy Sum PFA Simple way of PFA w/ GLD detector has already achieved < 40% resolution. → GLD concept works.

国内建設候補地 研究者と専門家による文献・踏査調査 40km以上十分とれる４つの候補地 北上 背振 阿武隈 北茨城

Major Detector Concept Studies (America) (Europe) (Asia) + vertexing near IP ECAL/HCAL inside coil GLD is the largest among the three detectors, but comparable size to CMS.