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1. 電離・励起2. チェレンコフ放射3. 制動輻射4. 遷移輻射

光子1. 光電効果2. コンプトン散乱3. 電子対生成

荷電粒子の相互作用 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

電離・励起

チェレンコフ放射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

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

光子と物質の相互作用•原子電子との相互作用•光子はなくなり、束縛電子は自由電子になる光電効果• 自由電子との衝突 (束縛エネルギー≪光子のエネルギー )

• 光子はなくならないコンプトン散乱

•原子核との相互作用•Electron-positron対ができる

電子対生成

FORMATION　 ZONE干渉性が保持される距離 Formation zone程度の厚さのときのみ、よい

TR強度が得られる

Pwhere

cz

,

2222

総 TRエネルギーW= 13αz2ℏωp1γ

強度は γに比例するγが大きくなると formation zone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

dWdωdθ= 2απ f0ሺθሻ f0ሺθሻ= θ3൫ςg−1 −ςf−1൯2 ςi = γ−2 + θ2 + ξ2

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

RADIATED TR 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 )

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 Electron triggerに使える

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

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

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

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

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

30mm

6mm5mm

•Xe/CO2は TRの吸収がよい•大きさは 0.5×0.6 ㎡•Anode ： W-Au　 20μm•Cathode ： Cu-Be 75μm•Entrance : aluminized kapton 25μm

•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

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

電子雪崩

γ

SOURCE TESTS Anode, Cathode電圧や、 gas gain, 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 Cathode pad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

Ion tail

Amplification region

Electron attachment

Drift region

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)

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 )

エネルギー分布 大きなクラスターの位置

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 FACTORPion 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 pion

rejection factorとする

()()(PePePL

EFFICIENCY Pion　 rejection 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