修論発表ppt - 筑波大学素粒子実験室
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ATLAS実験SCTバレルシリコン飛跡検出器の
宇宙線を用いた性能評価
数理物質科学研究科物理学専攻
素粒子実験研究室
学籍番号 200520614
永井 義一
2007年2月21日
修士論文発表会
目次
序論
• LHC加速器とATLAS検出器
• SCTバレルシリコン検出器
• 宇宙線テストの概要
SCTバレルシリコン検出器の性能評価
• 宇宙線イベントの再構成
• SCT検出器の位置補正
• SCT検出器の検出効率
結論と今後の課題
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2
LHC加速器（Large Hadron Collider）
現在CERN研究所にて建設中の陽子‐陽子衝突型加速器
重心系エネルギー
s 14TeV
LHC（Large Hadron Collider) @ CERN
LHC加速器のスケジュール
2007年末
モンブラン
s 900GeV
検出器の較正・加速器の調整
2008年春
レマン湖
ジュネーブ国際空港
ATLAS
LHCb
8.5km
2007年2月21日
での物理実験の開始
実験目的
CMS
ALICE
P
s 14TeV
P
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Higgs粒子の探索
標準理論の検証
標準理論を越える物理の探索
3
ATLAS検出器 (A Toroidal LHC ApparatuS)
μ粒子検出器
• 内部飛跡検出器
カロリメータ
Pixel : シリコンピクセル検出器
SCT : シリコンマイクロストリップ検出器
TRT : 遷移輻射ストローチューブチェンバー
• カロリメータ
• μ粒子検出器
• マグネットシステム
内部飛跡検出器
マグネットシステム
重量 : 7000トン
飛跡検出器 : 2.5
カロリメータ : 4.9
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ln tan
2
4
SCTバレルシリコン検出器
SCTバレルモジュールの特徴
2次元的な位置測定
768ch
シリコンセンサー（6cm×6cm）を表裏2枚ずつ、ステレオ
角40mradで張り合わせることにより、単独モジュールで2次
元的な位置測定が可能
高放射線耐性
＜2×1014 （proton/cm2） （バイアス電圧５００Vまで）
位置分解能
ストリップ間隔は80μm 、SCT検出器片面での
位置分解能は、23μm
SCTバレルシリコン検出器
シリンダー4層、SCTバレルモジュール2112枚から
構成される。
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宇宙線テスト概要
目的
144 cm
• SCTおよびTRT検出器のオペレーションテスト
40 cm
SCT+TRT検出器を同時に扱う
• SCTおよびTRT検出器の性能評価
PMT
シンチレータ
PMT
ノイズテスト、検出効率評価 等
S1
TRT
SCT
S2
データ収集システム
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S3
trigger:
S1 S 2
6
宇宙線テスト概要
y
Layer 1 /
Barrel B4
Layer 0 /
Barrel B3
: 6
Layer 2 /
Barrel B5
Bottom
Inner
Outer
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No magnetic field
12 modules
Top
Layer 3 /
Barrel B6
:6
SCTモジュール数 ： 468
(Top=252, Bottom=216)
(B3,B4,B5,B6) = (84/108/144/132)
宇宙線トリガーイベント数 ： 約132k
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宇宙線イベントの再構成
ヒット位置とクラスターの構成
Space Pointの構成
strip fired
40mrad
1 module
strip pitch
= 80 mm
Space point definition
各クラスターに属するストリップ数
95%
1
8 Space Point イベント
2
宇宙線トリガーごとのSpace Point 数
宇宙線トリガーごとのクラスター数
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宇宙線トラックの再構成
• Space Pointからトラックの候補を探す（パターン認識）
3点以上のSpace Pointの全ての組み合わせをr‐f平面およびZ‐Y平面におい
て直線フィットし、c2/ndfでのカットをかけてトラックの候補を選別する。
2つ以上のトラックが同じSpace Pointを共有する場合、c2/ndfが小さいトラック
に属させる。
全てのトラックが同じSpace Pointを共有しなくなった時点で パターン認識ア
ルゴリズムを終了する。
• トラックの候補をクラスターを用いて再フィットする（トラックフィット）
多重散乱の効果を考慮に入れた、Kalman Filteringの方法を用い、クラスター
を用いてフィットすることで、トラックを探し出す。
track candidate
宇宙線トリガーごとのトラック数
Space Point
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SCT検出器の位置補正
SCTモジュールの位置分解能は23mmであり、シリンダーへの取り付け
精度より良いため、検出器の位置補正が必要。
各モジュールのずれの自由度は6である。
→468×6＝2808 自由度のパラメータを最適化する必要がある。
c
2
itracks
urT r ur
ur r ur
1
ri (a, i ) Vi ri (a, i )
r
d c (a) r
r 0
da
r
2
r
u
u
r
r
d c (a)
2
2
c (a) c (a0 )
r
a
da uar uur
a
2
r : 残差ベクトル a : 位置補正パラメータ
: トラックパラメータ V : 残差の共分散行列
r
a ： 位置補正定数
0
ur r
ur r T 1
ur r
r
dri (a) 1 dri (a)
dri (a) 1 ur uur
a uur Vi uur uur Vi ri (a0 )
tracks da0
tracks da0
da
0
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2808個の連立方程式
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SCT検出器の位置補正
以下の方法でトラックの残差を求め、位置補正の効果を評価する
トラックがc2/ndf ＜ ３ を満たす
トラックに伴うクラスターが１０以上存在する
残差を求めるモジュールのクラスターをトラックから除外し、再度フィットする
SCTモジュール面でのトラックとクラスターの距離を残差とする
track
cluster position
トラックのc2/ndf分布
残差
c2/ndf ＝ ３
remove
track hit
track hit position
cluster
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SCT検出器の位置補正
Top
Top
Mean 11.7 mm
Mean 0.7 mm
s 54.5 mm
s 39.9 mm
Layer1 / Barrel 4
位置補正前
Layer1 / Barrel 4
Bottom
位置補正後
Bottom
Mean 0.8 mm
Mean 7.7 mm
s 41.3 mm
s 58.5 mm
多重散乱の効果
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track
SCT検出器の検出効率
トラックが c2/ndf < 40 を満たす
検出効率を求めるSCTモジュールが存在する層のクラスターを
トラックから除外し、再度トラックをフィットする （リフィットトラック）
リフィットトラックがc2/ndf < 6 を満たす
remove all hit
リフィットトラックに伴うクラスターが10以上、かつTop, Bottom
各々にクラスターが2以上存在する
cluster
リフィットトラックの位置がモジュール端および異常ストリップ
（noisy, dead, etc…）から2 mm以上離れている
c2/ndf = 6
⇒ 以上を満たす場合、トラック予想位置とする （ヒット予想点）
⇒ ヒット予想点より±2 mmの範囲内でクラスターを調べる
（ヒット観測点）
（検出効率） ＝ （ヒット観測点の数） / （ヒット予想点の数）
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SCT検出器の検出効率
Bottom
Bottom
Top
Top
Layer1 / Barrel 4 Link 0
Layer1 / Barrel 4 Link 1
Top total
: 99.21±0.03 %
Bottom total : 99.12±0.03 %
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結論
• SCT検出器の性能評価
SCT検出器の位置補正の結果、残差分布のs～40mm 程度
まで改善した
各SCTモジュールについて検出効率を見積もり、Top・Bottom
ともに99%以上の検出効率が得られた
今後の課題
• Top, Bottom独立なトラック再構成
SCT4層でのトラック再構成効率を見積もる
Bottomに見られる多重散乱効果を除き、検出効率を評価する
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Backup
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Number of Spacepoints
Real data
w/ 2 scintillators
Real data
w/ 3 scintillators
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MC simulation
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Number of Tracks
tracks w/ 2 scintillators
tracks w/ 3 scintillators
no alignment
no alignment
tracks w/ 3 scintillators
tracks w/ MC simulation
w/ alignment
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Trigger Timing
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Kalman Filtering
track extrapolation
measured hit position
updated track position
predicted hit position
track extrapolation
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no alignment ly0 & ly1
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no alignment ly2 & ly3
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local alignment ly0 & ly1
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local alignment ly2 & ly3
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Geant 4 simulation ly0 & ly1
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Geant 4 simulation ly2 & ly3
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Efficiency map ly0 & ly1
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Efficiency map ly2 & ly3
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Efficiency Diff b/w link 0 & link 1
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Efficiency detail ly0
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Efficiency detail ly1
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Efficiency detail ly2
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Efficiency detail ly3
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高抵抗SCTモジュールの性能評価
SCTモジュールのバイアス回路抵抗は、正常モジュールでは40 kW以下
21 SCTモジュールが100 kW以上の抵抗値を示した
電圧降下の影響により、センサーに加わる電圧が低くなる可能性
Normal : 99.17±0.02%
High resistance: 99.10±0.08%
Resistance(kW)
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