Transcript LC実験のためのTPC開発 - JLC

読み出し機構の違いによる
TPC性能の比較
Introduction
Sensors
Beam Test
Results
Summary
広大VBL，高エ研A，筑波大B，農工大工C，工学院大D，
近大E，佐賀大理工F，MSUG，DESYH，MPII，SaclayJ，
OrsayK，CarletonL
黒岩洋敏，藤井恵介A，小林誠A，松田武A，山口敦史B，
仁藤修C，土生昌宏C，中村圭一C，渡部隆史D，加藤
幸弘E，杉山晃F，荒木智之F，H.C.J.GoocG，
R.L.ReservaG，D.C.AroganciaG，池松克昌H，
R.SettlesI，P.ColasJ，V.LepeltierK，T.ZerguerrasK，
M.DixitL，K.BoudjemlineL
14aSE-1, 日本物理学会, Sep. 12～15, 2005
大阪市立大学（杉本キャンパス）
Introduction
LC飛跡検出器への要求性能
LC飛跡検出器への要求性能

l+
ヒッグス粒子の探索法
① 反跳質量法による測定
e+e-
HZ
bb l+l-
l-
Z (レプトン対) のエネルギーや運動量からHの質量を
保存則より計算
レプトン対の運動量を高精度で測定することが必要
飛跡検出器に対する要請
2
2
50GeVの粒子に対して σpT
ασx 720
αC
10 X
2+
p
≅ BL2 n+4 T BL 7 X
0.4%の運動量分解能
pT
0
位置分解能 (σx) は150μmが必要
α = 333.56 (cm･T･GeV-1)
C = 0.0141 (GeV)
B = 3～4 (T) : 磁場
n = 200～250 : 測定点の数
L = 155 (cm) : 飛跡の長さ
LC飛跡検出器への要求性能

ヒッグス粒子の探索法
② 不変質量法による測定
e+e-
HZ
bbνν
e+e-
HZ
bb qq
Hの崩壊によるbジェット対の全四元運動量からHの質量を保存則より計算
ジェット中では多数の
荷電粒子が狭い領域
に飛跡を残すため、こ
れらを分離することが
必要
荷電粒子の飛跡とカロ
リーメーターのクラスター
を一対一対応させ、エネ
ルギーを重複して数えな
いようにする
飛跡検出器に対する要請
近接二粒子飛跡の
分離性能 数mm程度
z(ビーム軸)方向の
位置分解能 1mm以下 b
b
本実験の目的

飛跡検出器としてTPCを採用
TPC sensor：MWPC、GEM、Micromegas

読み出し機構の違いによる性能の比較
Beam test
同じField Cage、Electronics、解析
Sensors
MWPC
GEM
Micromegas
MWPC

Multi Wire Proportional Chamber
– 直径30μmのアノードワイヤー（2mm pitch）で増幅
– パッド上に電荷を誘起
– Wire-Pad間距離：1mm
セクター境界による不感領域
陽イオンフィードバック
E×B effect
1cm以下の近接飛跡分離が困難
GEM

銅
膜
Gas Electron Multiplier
– 絶縁体の両面に銅膜を貼付
– 銅膜間で増幅（∼102）⇒ 3段使用

GEMの利点
– 位置分解能、近接飛跡分離能の改善
– セクター境界に起因する不感領域の削減
– 陽イオンフィードバックの軽減
– E×B effectの軽減
Micromegas

50μm
Micro Mesh Gaseous Structure
– 50μm pitch
– 50～100μmのpillarで支持
– Mesh-Pad間で増幅（∼104）⇒ 1段

Micromegasの利点
– セクター境界に起因する不感領域の削減
S1
– 位置分解能、近接飛跡分離能の改善
– 陽イオンフィードバックの軽減
– E×B effectの軽減
s
S2
Beam Test
Setup
Prototype TPC
MWPC : Jun. 2004
GEM : Apr. 2005
Micromegas : Jun. 2005
Setup

KEK-PS π2 beam line
–

Super conducting magnet (JACEE)
–

4GeV πB = 0, 0.5 and 1T
Readout
– ALEPH TPC electronics
amplifiers（16 channels each）
500ns shaping time
charge sensitive
TPD（FASTBUS module）
sampled every 80 ns and digitized
Prototype TPC


最大ドリフト距離：26 cm
– 10×10×26 cm3
読み出しパッド
– 32 pads×12 pad rows
– 2×6 mm、0.3 mm gap
⇒ MWPC、Micromegas
– 1.17×6 mm、0.1 mm gap
⇒ GEM

チェンバーガス
– Ar + CH4 + CO2 (93:5:2)：TDR
⇒ MWPC
– TDR、Ar + CH4 (95:5)：P5
⇒ GEM
– Ar + isoC4H10 (95:5) ⇒ Micromegas
Results
Charge Width
X Resolution
Z Resolution
Charge Width (Pad Response)

あるパッド上のnormalized charge (NQi = Qi/∑Q)
を(Xpad - Xtrack)の関数としてプロット
Charge width for different drift regions (Micromegas、B = 0T)
(Ar+iC4H10、2mm pad)
anode
Z→
3点重心法で
hit点を決定
cathode
Width of PR as a function of Z

GEM (1T) & Micromegas (0、0.5、1T)
σPR2 = σPR(0)2 + CD2 .z
σPR(0) : width @ 0 drift [μm]
MWPC : 1390 (2mm pad)
GEM : 453 (1mm pad)
Micormegas : 781 (2mm pad)
CD : diffusion constant
[μm/sqrt(cm)] @ 1T
MWPC : 220 (TDR)
GEM : 206 (TDR)
Micromegas : 198 (Ar+iC4H10)
Magboltz Sim. : 180 (TDR)
193 (Ar+iC4H10)
1.2mm/sqrt(12) = 367μm
2.3mm/sqrt(12) = 664μm
X Resolution as a function of Z

MWPC & GEM (TDR)、Micromegas (Ar + iC4H10)
– B = 1T
B = 0.5、1T
Cd  z
2
sx s0 
2
2
N eff
σ0 : resolution w/o diffusion
Cd : diffusion constant
Neff : effective number of electrons
MWPC
σ0
233μm
Nef
24
f
GEM
Micromegas
81±5μm 134±76μm
30
32
Z Resolution as a function of Z

MWPC & GEM (TDR)、Micromegas (Ar + iC4H10)
– B = 1T
– σz < 1mm （26 cm drift）
– Track-Cluster matchingには問題なし
Summary

LC-TPC開発のためprototype TPC beam test
– MWPC、GEM、Micromegas
MWPC
GEM
Micromegas
σPR(0)
1390μm
453μm
781μm
σ0
233μm
σx @ 26cm
drift (1T)
360μm
81±5μm 134±76μm
200μm
1.2mm/sqrt(12) = 367μm
2.3mm/sqrt(12) = 664μm
220μm
– GEM、Micromegasは近接飛跡分離において有利
– σx
MWPC：E×B effectによる悪化がみられる
GEM、Micromegasでは同様の結果
Micromegas : 1mm padでの測定
resistive foilの使用が必要 ⇒ Oct. 2005
KEK-PSでビームテスト
– σz < 1mm (26 cm drift、1T)
Charge Width (Pad Response)

MWPC & GEM
– 1T、TDR gas
X Resolution (How to Fit?)
Cd  z
2
sx s0 
2
2
Other
N eff
σ0 : resolution w/o diffusion
Cd : diffusion constant
Neff : effective number of
electrons
Diffusion
1- fix Cd from PRF
2- fit σx = f(z) with σ0 and Neff free
3- Plot Magboltz curve with :
σ0 obtained from the fit (2)
Cd is known
Neff from (2)