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リニアコライダー実験用カロリメータの設計研究
目次
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研究目的
リニアコライダー計画
カロリメータ
解析方法
単一粒子の分解能
ジェットエネルギー分解能
まとめ
2006/02/14
素粒子実験室
山口佳博
研究目的
ﻪリニアコライダー実験における、ジェットエネルギー分解能
と、ハドロンカロリメータのエネルギー分解能の目標を満た
すカロリメータを設計することが、本研究の目的である。
ﻩ分解能の目標値は以下である。
ジェット
ハドロンカロリメータ
30 %
( 50 %)
jet
E jet
2
E
E jet
E
( 2 %)
2
E
ﻩリニアコライダー実験で新しく用いる事が考えられている、デジタル
カロリメータの有効性について評価する。
ﻯデジタルカロリメータとは、カロリメータのエネルギー測定方法として、
従来のアナログ(波高)読み出しではなく、デジタル(ヒット数)を用いて
測定を行う。
2006/02/14
修士論文公開発表会
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リニアコライダー計画・検出器
ﻪリニアコライダー実験とは
リニアコライダー検出器
ﻩ電子・陽電子衝突型線形加速器
ﻩ重心系エネルギー
210GeV 1TeV
ﻩトップクォークの精密測定
ﻩヒッグス粒子の探索
ﻩ新粒子の発見
検出器
紫: バーテックス検出器
赤: タイムプロジェクションチェンバー
緑: 電磁、ハドロンカロリメータ
灰: ソレノイド (3T)
青: ミューオン検出器
2006/02/14
修士論文公開発表会
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カロリメータ
ﻪ
ﻪ
電子や光子、ハドロン粒
子はカロリメータでシャ
ワーを起こす。
入射粒子のエネルギー
とシャワー中の粒子数
が比例
カロリメータ
エネルギー測定
電磁カロリメータ 38 層: 27 X0
ハドロンカロリメータ 130 層: 6.1 0
シンチレーター
1mm
12cm
12cm
分割 33
2006/02/14
鉛 4mm
分割 1212
修士論文公開発表会
シンチレーター
2mm
鉛 8mm
タワー
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ジェットエネルギー測定法
ジェット
クォークが単体で観測されることは無く、
ハドロン化する。このため、単体のグルー
オン、クォークからハドロン粒子群が生成
される。
ジェットのエネルギー測定法
= PFA (Particle Flow Algorithm)
ee Z0H qq
s 500 GeV
ﻩ荷電粒子は飛跡検出器で測定された運動量を使用する。
ﻩ光子は電磁カロリメータでエネルギーを測定。
ﻩ中性ハドロン粒子はハドロンカロリメータでエネルギーを測定。
2006/02/14
修士論文公開発表会
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デジタルカロリメータ
ﻪPFA を用いた場合、ジェット内の粒子同士のシャワーの重な
りを小さくするために、カロリメータの横方向の分割を細かく
する必要性がある。
ﻪチャンネル数が膨大になり、従来のアナログ読み出しでは回
路が複雑になり、費用がかかりすぎる。
デジタルカロリメータ
ﻩ
ﻩ
ﻩ
ﻩ
タイルサイズを十分小さくする。
ヒットが有ったか無かったか、というデジタル情報を用いる。
測定されるエネルギーとヒット数の間には比例関係が成り立つ。
読み出しが容易で、費用も安い。
ﻪアナログ読み出しとデジタル読み出しの違い
Etotal = EEM EHD
(Analog)
= EEM W NHD (Digital)
2006/02/14
修士論文公開発表会
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単一粒子による分解能
測定されたエネルギーとヒット数の相関
ﻪ使用した事象
ﻩ
ﻩ
ﻩ
ﻩ
ﻩ
パイ中間子
3 100 GeV
3000 事象
電磁カロリメータ: 4cm4cm
ハドロンカロリメータ:
1cm1cm 3cm3cm
閾値 0.5 MIP
タイルサイズ: 1cm1cm
ハドロンカロリメータ
ﻪ右図より、高エネルギー粒子では測
定されたエネルギーとヒット数の相
関に大きな広がりが存在。
ハドロンシャワー中で高エネルギー
の電磁シャワーが発生したため。
2006/02/14
修士論文公開発表会
Area 1
Area 2
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シャワーの違い (パイ中間子 100GeV)
ハドロンシャワー
Area 1
EMCAL
電磁シャワー成分が支配的
Area 2
HDCAL
EMCAL
HDCAL
ピンク;電子 青;ミュー粒子 赤;パイ中間子 緑;陽子
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修士論文公開発表会
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エネルギー分解能
閾値依存性
分割依存性
閾値とはヒットが有ったとする最小エネルギー。
単位には最小電離損失粒子 (MIP) の損失エ
ネルギーを使用する。
閾値: 0.5MIP
タイルサイズ: 1cm1cm
分割による依存は低エネルギー
では少ないが、高エネルギーではタ
イルサイズが小さいほうが良い。
2006/02/14
閾値依存による分解能はそれほど
違いが見られない。
修士論文公開発表会
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セミデジタルカロリメータ
デジタル = 1ヒット / 1タイル
しかし、1タイルのヒットの重複度
が大きい
セミデジタルカロリメータ
ヒットの定義
パイ中間子 50GeV
測定されたエネルギー / タイル
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ﻪセミデジタルは 2bit の情報を読み
出す。
ﻪ閾値は3つ。
ﻪ1つ目の閾値は 0.5 MIP に固定。
ﻪ残り2つの閾値を最適化する。
ﻪタイルサイズ: 1cm1cm
測定されたエネルギー(MIP)
ヒット数
0 0.5
0
0.5 n
1
n n2
n
n2
n2
MIP
修士論文公開発表会
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閾値依存性
閾値: 0.5, 10, 100 MIP
閾値依存性
タイルサイズ: 1cm1cm
閾値が 0.5,10,100 MIPの場合、最
も分解能が良くなることが分かった。
2006/02/14
デジタル読み出しと比べ、エネル
ギーとヒット数に1次の相関がはっきり
とみえる。
修士論文公開発表会
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エネルギー分解能
デジタル:
0.5MIP
セミデジタル: 0.5, 10, 100 MIP
タイルサイズ: 1cm1cm
エネルギー分解能
E
2
stochastic
E
cons tan t
2
• Analog ; sto = 48.9 0.6 %
con = 5.0 0.2%
• Digital ; sto = 37.0 0.9%
con = 13.8 0.2%
• Semi ; sto = 45.1 0.6%
con = 6.8 0.1%
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修士論文公開発表会
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ジェットイベント
ﻪee qq (u/d/s)、
s = 91 GeV, 350 GeV, 500 GeV
ﻪ両ジェットがカロリメータのバレル部
に入る事象を用いた。
ﻪデジタルの閾値は 0.5 MIP に固定。
ﻪ解析にはPFAを用いるので、デジタ
ルカロリメータに関係するのは、主
に K0L中間子と中性子である。
2006/02/14
修士論文公開発表会
ee qq、s = 350 GeV
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K0L中間子の分解能
s = 91 GeV
s = 91 GeV
ジェット中のK0L中間子が実際に
持つエネルギー。
ほとんどが数 GeV のエネル
ギーしか持たない。
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各エネルギー領域で、カロリメータで測定
した値をジェネレータから得た値で割り、
ガウスフィットして得られた分解能。
低エネルギーではアナログとデジタル
で差は無い。
修士論文公開発表会
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ジェットエネルギー分解能
カロリメータで測定されたエネル
ギーを用いて、PFA によりジェット
エネルギー分解能を算出した。
デジタル s = 350 GeV
タイルサイズ: 1cm1cm
2006/02/14
タイルサイズが 1cm1cmの場合
は、デジタル読み出しでアナログと同
程度、もしくは良い分解能を得られる。
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まとめ
ﻪシミュレーションにより単一粒子を入射させた場合と、
ジェットの場合でのデジタルカロリメータの性能を調
べた結果、十分なジェットエネルギー分解能を持つ
ことが分かった。
ﻩ単一粒子入射の場合
ﻯデジタル読み出しでは、50 GeV 以上の入射エネルギーを持った
粒子に対するエネルギー分解能が悪い。
ﻯタイルサイズは小さいほうが良い。
ﻯ分解能は閾値にはそれほど依存しない。
ﻯセミデジタルでは 100GeV までのエネルギー領域で、ほぼアナロ
グ読み出しと同等の分解能が得られる。
ﻩジェット事象の場合
ﻯタイルサイズが 1cm1cmの場合、s 500 GeV までの事象にお
いては、デジタル読み出しで目標となるジェットエネルギー分解能
の性能を持つことが分かった。
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修士論文公開発表会
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