Transcript FTBL一周年実験成果発表会 - 高エネルギー原子核実験グループ

筑波大学 高エネルギー原子核実験グループ
坂田洞察・横山広樹





QGP(Quark Gluon Plasma)
研究目的
実験セットアップ
MRPC
TRD

量子色力学（QCD）の特徴


クォークの閉じ込め
漸近的自由度
•ハドロンの高温高密度状態を作るとクォークは核子による閉じ込めから
解放され、クォークとグルーオンが自由に飛び回る状態に相転移する
•QGP（クォーク・グルーオン・プラズマ）状態
加速器による高エネルギー重イオン衝突実験において実現できる
3

RHIC-PHENIX


√sNN=200GeV Au+Au
LHC-ALICE

√sNN=5500GeV Pb+Pb

重イオン衝突に適し
た様々な検出器群
QGP相で起こる現象をしらべるために様々な種類の検出器がインストールされている
4

MRPC(Multi-gap Resistive Plate Chamber)


MRPCの汎用化及び、小型MRPCの動作性能確認の為,小型の
MRPCを設計し、複数のTypeを製作し、時間分解能・検出効率につ
いて以下の依存性を評価した
 HV依存性
 入射角度依存性
TRD(Transition Radiation Detector)

LHC-ALICE実験で使用するTRDのプロトタイプを用い、検出器の
基本的特性の評価を行う
5
Scintillation Counter
TRD
Trig
MRPC
for TOF
PbGlass
6
坂田洞察
Gas を充填
荷電粒子
読み出しpad
PCボード(絶縁)
gap
電極(HV)
Outer glass
Inner glass
10kV以上の高電圧をかける
異符号の信号
ギャップが十分薄く
townsend領域に限定した放電
良い時間分解能
多数のギャップからの誘起電荷の重ね合わせ
検出効率の向上
Resolution[ps]
Single Stack
Double Stack
これらの実験のR&Dでは50~60ps
の時間分解能を得ている。
Single stack 6gaps
~60ps
Double stack 5gaps ~50ps (左図の青線)
Electric Field[kV/cm]
左図：Double stack 3gap(赤）/5gap(青）の時間分解能vs電場
引用 ALICE TOF Technical Design Report
9
Single stack 4, 6, 8 gap(3 types)
Double stack 5 *2 gap(1 type)
Gap 幅
235μm
Gas mixture C2H2F4(R134a)
90%
C4H10(iso-butane) 5%
SF6
5%
・入射角依存性:0-90[度]
回転軸
・印加電圧依存性:10-13[kV/mm]
4 Type の検出器を使用し、入射角依存、印加電圧依存を評価する
10
固有時間分解能
Single stack 6gaps 87ps±7 @ 12.1kV/mm
Double stack 5gaps 74ps±6 @ 11.3kV/mm
Good Efficiency
12kV/mm~
11
回転軸
Double stack 5gap
E field 11.3kV/mm
()
f(x) = a +b*cos(x)
通過距離によって落とす電荷は変化する
60度までは、通過距離に応じて電荷平均値が増加している
12
()
()
Double stack 5gap
E field 11.3kV/mm
0-40度まで角度に応じて
分解能の劣化が見られる
角度に応じ、検出効率がよくなる。
より高い電場での評価も必要
13

Single stack 4,6,8gaps
Double stack 5gaps
の時間分解能・検出効率について、
印加電圧依存性・入射角依存性を評価した
Single 6gap及びDouble 5gapは
印加電圧12kV/mm以上で
100ps以下の時間分解能、99%以上の検出効率が得られた
14
横山広樹


重イオン衝突実験において検出器への要求の一つに、粒子識
別・飛跡検出がある
電子の識別と飛跡の検出のためにALICE実験では遷移放射検
出器(TRD)がインストールされている
•QGP生成
•カラー電荷によるデバイ遮蔽：J/ψやΥ
生成の抑制
•J/ψやΥのdi-electronへの崩壊
TRDは1～100GeV/cの運動量を持つ
電子と大きなバックグラウンドとなるパイ
中間子との識別に適している
16

相対論的な荷電粒子が誘電率の異なる物質間を通過する際のX線放射


通過前後での荷電粒子の作る電場は不連続となるので、その電場を補うとき
に放射が発生する
全放射エネルギーはローレンツ因子γに比例する
TR-photonの効果が顕著
TR強度
αz 2 ℏω
W=
γ z:入射粒
3

:
プラズ
遷
移
放
射
強
度
運動量
•大きいγでは放射光の干渉が起こるため強度の飽和が起こる
•運動量1GeV/c以上の電子によって遷移放射が起こる
ローレンツ因子の違いにより
1～100GeV/cの電子とそれより重い荷
電粒子の識別にTRは効果的である
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•radiator部/drift chamber部
1.Radiator部でTR-photonが発生する。
2.Drift regionでTR-photonと一次荷電粒子が電離を起こし、電子
が発生する。
3.電子がanodeに向かいドリフトし、anode wireに吸収される。
4.3のときcathode padsに誘起されたシグナルを検出する。
FADCによる読み出し
シグナルの波高とパッドの位置、時間から
飛跡の算出、PIDを行う 18






Pad Response Function
Amplification of signals (through anode voltage
and gas dependence)
Electron attachment (through drift voltage
dependence)
Drift velocity (through drift voltage and gas
dependence)
Absorption of TR-photon（absorption length in
2type gases, Ar+CO2(85,15),Xe+CO2(85,15))
Angle dependence of position resolution


distance from CM vs. proportion of induced charge to sum of
them.
Full width of signal sharing in azimuthal direction is 3pads.
Pulse height is defined as sum of three adjacent pad’s induced charges.
20
すべてのイベントについてパルスの時間分布の平均を求め、
そのグラフから、各パラメータ（ドリフト時間、増幅領域での波高など）を決定する。
1イベントのパルスの時間分布
Xe+CO2(85,15)ガスの
ラディエータあり/なしの平均波高
波
高
青：without radiator
赤：with radiator
時間
すべてのイベントに
おいて平均をとる
TR-photon
増幅領域での波高
平
均
波
高
ドリフト時間
さまざまなパラメータを
21
取りだすことが可能
Drift
Amplification
Region
Region
21
Mean pulse
height
Xe+CO2(85,15)
time
Anode voltage vs pulse
height
Drift Voltage
-2100V
Anode Voltage
1500V
1450V
1400V
1350V
1300V
time
Ar+CO2(85,15)
Xe+CO2(85,15)
Pulse height at Amp region
Mean pulse height
Ar+CO2(85,15)
Gas gain by avalanche can
be fitted by exponential
function of anode voltage22
Anode voltage
Mean pulse height
Xe+CO2(85,15)
time
time
Electric field vs Drift
velocity
Drift Velocity
Mean pulse height
Ar+CO2(85,15)
Anode Voltage
1500V
Drift Voltage
-2100V
-2000V
-1900V
-1800V
-1700V
Ar+CO2(85,15)
Xe+CO2(85,15)
Drift velocity for Ar gas is about
three times larger than that for
Xe gas
23
Electric Field of Drift region
a/b is defined as sign
of electron attachment.
Attenuation of signal by
electron attachment
b
電離電子がドリフトす
るとき、ガス中の水や
酸素による吸着が起
こり、シグナルが減衰
してしまう。
それが、ドリフト時間
にどのように影響す
るのか調べた。
a
a/b
Ar+CO2(85,15)
Xe+CO2(85,15)
Stay time of electron
The attenuation of signal by H2O or oxygen depends on time
24
that electrons stay in the chamber.
•Correct time distribution to be flat shape in the drift region
Xe+CO2(85,15)
before
after
Anode Voltage
1500V
Drift Voltage
-2100V
With Radiator
Without Radiator
time
time
Ar+CO2(85,15)
after
before
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time
time
•Calculate the TR photon contribution as the difference between time
distributions with/without radiator.
•By slope of exponential fit, I calculated absorption length of TR-photon in
each gas.
TR-photon attachment
absorption length
89mm(inAr)
  

10mm(inXe)

Ar+CO2(85,15)
Xe+CO2(85,15)
Depth of detector from drift electrode(mm)
Depth of TRD-prototype is
30mm.
95%(in Xe),28%(in Ar) TRphoton energy is absorbed.
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time
Pad number
Calculate
center
time
Data for fit
Angle=20°
angle
1pad(=8mm)
resolution
0°
391±10μm
10°
605±28μm
20°
1071±22μm
30°
1614±45μm
Measure difference between
this point and fited line
Resolution(angle 0°)is about
400μm
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





Signal share is less than 3 pads.
Gas gain by avalanche can be fitted by exponential
function of anode voltage.
Drift velocity in Ar gas is about three times larger
than that in Xe gas.
The attenuation of signal by H2O and oxygen depends
on time that electrons stay in the chamber.
absorption length in Xe(Ar) is 10mm(89mm)
Resolution(angle 0°) is 391μm.
Arガス
Xeガス
価格
50yen/L
2500yen/L
ドリフト速度
×3
×1
減衰
×1
約×3
吸収長
89mm
10mm
28
MRPC part
2cm 1mm
設計方針
MRPCの汎用化及び小型MRPCの動作性能評価
に最適化し設計
10cm
6cm



10*10cm
ボード
ガラスエポキシ
Pad
銅箔フィルム
2*6cm ×3
10cm
Double stack 5gaps
電極：カーボンフィルム
Outer Glass : 1mm
Inner Glass : 550μmm
Gap 幅
: 250μm
30
MRPC
START
40cm
TOF =
t

t
MRPC
start
Resolution of MRPC =
TOF [ch]


TOF分布(１ch=24ps)
2
2
TOF
tstart Double stack 5gaps
E=12.8kV/mm
Sigma=3.87
Efficiency = 検出粒子数
入射粒子数
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上段：MRPCの電荷分布(10倍AMP後)
下段：MRPCのTOFvs電荷相関
ADC[ch]
E=9.9[kV/mm] A=0°
ADC[ch]
E=12.8[kV/mm] A=0°
ADC[ch]
E=12.8[kV/mm] A=60°
・MRPCの電荷分布は
その電場及び角度に応じて増加
・本実験において、Slewing効果
は殆ど見られず
補正は行っていない
ADC[ch]
ADC[ch]
TRD part
Xe
Ar
34
35
36
37
38
 1 12
p E
  p2 m2 1
(electron
)
2000
(@
1GeV
/c)
(pion
)
10
運動量が同程度の電子とパイ中間子のローレンツ因子は、
1GeV/c以上で200倍違う
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