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） 2010/3/22 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 2010/3/22 2010 JPS

Heavy Ion Collisions at LHC p+p s =14 TeV Pb+Pb　sNN=5.5 TeV Energy　LHC = 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 2010/3/22 2010 JPS

4 Collaboration: Detector: 3/22/2010 JPS 2010 光子→強い相互作用によってほとんどエネルギー損失をしないため、エネルギーを測定する良いプローブとなる ビーム軸 衝突 荷電粒子・光子 PHOSで検出 // 省略 クォークグルーオンプラズマは直接観測することができないため、その残骸である、ハドロンや光子を測定することによって観測する。 光子は電磁相互作用しかしないため、クォークグルーオンプラズマ中でほとんどエネルギーを失わずに出てくる。 PHOSは荷電粒子や光子観測のための検出器である。 ビーム軸に垂直な方向のエネルギーが分かる。 光子は強い相互作用をせず、電磁相互作用しかしないため、クォークグルーオンプラズマ(QGP)中での平均自由行程が100メートル程度と非常に長い → 光子は、QGP中のエネルギーを正確に伝えるプローブ!! Collaboration: > 1000 Members > 100 Institutes > 30 countries Detector: Size: 16 x 26 meters Weight: 10,000 tons 3/22/2010 JPS 2010 4

PHOSカロリメータ PbWO4 Crystal PbWO4 Crystal Avalanche Photo Diode (APD) Fast Signal (~nsec) Operation at -25deg Small Moliere Radius (2cm)  Good 2 photon Separation PbWO4 Crystal Fast Signal (~nsec) Operation at -25deg Small Moliere Radius (2cm)  Good 2 photon Separation PbW04 crystal 18cm 2.2x2.2cm2 PHOSは1モジュール当たり64*56=3584本のPWOクリスタルから成っている。 それぞれのクリスタルに対して、APD(増幅器)とCSP(整形器)が付いている。 PHOSの特徴: PWOクリスタル -> 無機シンチレータ内でも非常に高い密度 -> 位置・エネルギー分解能が良い APD -> 光電子増倍管(PMT)ほどの増倍率(10^4~10^6)を持たない(10~10^4)が磁場中でも正常に動作し、量子効率が高い。 Charge Sensitive Preamplifier(CSP) Avalanche Photo Diode (APD) High Q.E.(60%-80%) Thin photo-sensor Operational in magnetic field APD: Hamamatsu S8148/S8664-55 5x5mm 2x2cm 3/22/2010 JPS 2010 5

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 PHOSでトリガー トリガー性能を揃える ゲインを揃える ２つの手法 3/22/2010 JPS 2010

テストベンチ PHOS実機を再現 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 PHOSもTest Benchも PWO -> APD -> CSP -> (FEE) という読み出し回路は一緒 Test BenchはPHOSを再現 異なるのは、 トリガー方法であり、Test Benchでは上下2枚のプラスチックシンチレータでトリガーしている また、PWO・APD・CSPは冷蔵庫内で動作しており、-25℃の環境を再現している // 省略 (1)PWOクリスタルの本数、 (2)ジオメトリー、 (3)磁場の有無 プラシンの上下がなったときにトリガーを立てる。 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℃ トリガー以外、PHOSと同じ回路 PHOS実機を再現 3/22/2010 JPS 2010

実験風景

得られる信号 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 ADC count ADC count シグナル： PWOでのエネルギー損失の大きさ -> APDでの電荷量の大きさ -> CSPでの電圧の大きさ(ガンマ関数でフィットするとp0がエネルギーに対応) -> FEEでデジタル信号へ(70 counts) 得られたシグナルはガンマ関数でフィッティングされる。 パルス高 100 ns / count 100 ns / count 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 3/22/2010 JPS 2010

アイソレーションカット rate ~ 1.34 × 10-4 sec-1 (一日で 12 events / crystal) 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 PWO結晶 (横から見た図) ×　　　○ 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 3/22/2010 JPS 2010

パルス高 = パルス高(主要部) + パルス高(周辺部) 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 3/22/2010 JPS 2010

APDバイアス電圧調整前 クラスター法で解析 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(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) エネルギー分布 29個のチャンネルと1個の空チャンネル 左上がクラスター法、右下がアイソレーションカット ゲインのばらつき アイソレーションカットの方がクラスター法よりも鋭い 端の効果 このチャンネルに注目 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) 3/22/2010 JPS 2010

APDバイアス電圧調整後(1) * クラスター法で解析 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(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) 3/22/2010 JPS 2010

APDバイアス電圧調整後(2) * クラスター法で解析 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(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) 3/22/2010 JPS 2010

アイソレーションカットがクラスター法の約0.7倍 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 3/22/2010 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 3/22/2010 JPS 2010

Back up 3/22/2010 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 物質名 密度 [g/cm3] 放射長 モリエル半径 減衰時間 [ns] 光量 [NaI比] PWO 8.28 0.89 2.0 5~15 0.01 BGO 7.13 1.12 2.4 300 0.15 NaI 3.67 2.59 4.5 250 1.00 CsI 4.53 1.85 3.8 565 0.40 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 3/22/2010 JPS 2010

データの読み出し PWOクリスタル APD CSP 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 3/22/2010 JPS 2010 19

PHOS / テストベンチの比較 PHOS: 3584個/1 module テストベンチ: 29個 PWOクリスタル APD CSP FEE board ALICE検出器 L3マグネット 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 3/22/2010 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 f(x)=Amp*t^N*exp(-N*t)+Ped, where t=(x-Tpre)/Tau ※Sampling ADCでは、シグナルが来る15カウント前から記録される 3/22/2010 JPS 2010

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] (34[ADC count] @ ゲイン50) 最小電離損失 1[ADC count] ⇔ 5[MeV] PbW04 crystal L = 18cm 2.2x2.2cm2 dE/dx = 9.4 MeV/cm 3/22/2010 JPS 2010

エネルギー分解能 PWOクリスタルのエネルギー分解能 期待値 実験値 アイソレーションカットで σE/E ~ 0.14 3/22/2010 JPS 2010

シグナルのゲインに寄与するもの 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: 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 3/22/2010 JPS 2010

データセット HV調整前 HV調整後(1) HV調整後(2) 統計数 195k 109k 103k 期間 約17日 約9.5日 約9日 APDのHV値を調整 HV調整前 HV調整後(1) HV調整後(2) 統計数 195k 109k 103k 期間 約17日 約9.5日 約9日 3/22/2010 JPS 2010 26

これを全ての読み出しチャンネルについて行う 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 (@ (0,13)) 例 宇宙線 LED p0の値 20 105 目標p0値 34 180 前の宇宙線測定で印加していたHV値 次の宇宙線測定で印加する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 3/22/2010 JPS 2010 27

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。 4~10 ADC count (20~50 MeV @ gain 50) 20 p0 3/22/2010 JPS 2010

Thresholdの値 Threshold(A) 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 8.6 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) 8.6 8.3 9.9 4.9 1.4 9.5 5.8 4.8 7.4 4.5 8.7 8.1 4.7 9.0 7.9 8.2 4.2 7.3 8.4 8.5 5.1 ※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) 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) 3/22/2010 JPS 2010

APDの印加電圧値 HV調整前 311 345 319 348 - 352 358 346 360 336 316 355 341 306 312 307 339 309 315 342 332 300 313 303 328 数字の単位は[V] 3/22/2010 JPS 2010

APDの印加電圧値 HV調整後(1) 342 334 310 370 - 345 375 372 373 355 352 367 363 336 358 360 339 285 290 320 288 293 333 300 数字の単位は[V] 3/22/2010 JPS 2010

APDの印加電圧値 HV調整後(2) 335 327 304 368 - 336 379 378 356 342 369 366 372 354 322 324 360 325 287 290 314 344 295 292 323 303 数字の単位は[V] 3/22/2010 JPS 2010