Transcript Shintake monitor in ATF2: status, performance and prospects

(ILC) Detector
Overview
International Large Detector (ILD)
Silicon Detector (SiD)
末原 大幹
(九州大学)
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• 見たい物理現象が
測定器でどう見えるかという話をします
• 測定器の詳細は後日別の講義があります
• 前半は測定器は出てきません
• 初心者向けです
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測定器の構造
リターンヨーク
& muon検出
超伝導磁石
カロリメータ
飛跡検出器
tracker
ビーム
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測定器の構造
エンドキャップ
q
Z軸
バレル
ビーム
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example: ZHmmbb
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e+e-  ZH  mmbb
e+
e-
Z*
Z
m
m
H
b
ILCでのヒッグス測定
ゴールデンチャンネル
b
このイベントを探すには?(バックグラウンドと見分けるには?)
1. 2つのbクォークを見つけ、その質量がHの質量に一致
• bクォークID
• bクォーク(ジェット)のエネルギー測定
2. 2つのミューオンを見つけ、その質量がZの質量に一致
• ミューオンID
• ミューオンの運動量測定
3. Zの反跳質量がHに一致
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質量の求め方
粒子1 (E1,p1)
m2 = E2 – p2
m1+22 = (E1+E2)2 – (p1+p2)2
m1, m2を無視するとすると
粒子2 (E2,p2)
Z
m
m
m1+22 = (E1+E2)2 – (p1+p2)2
= 2 E1 E2 (1 - cosq)
同じ方向であればmassは0
逆方向であればmassは2E1E2
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Lorentz boost
b
H
Z
H
b
Higgsが静止
している場合
bb pairは
back-to-back
に放出される
Higgsが運動量を持つ場合
b quark は Lorentz boost
を受けて方向やエネルギーが変化
但し質量((E2-p2))は変化しない
(不変)質量はLorentz不変量
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bクォークの行方
b
b
u
u
b
b
d
b
d
u
u
u
u
b
B-
B0
新しいクォークを作るエネルギーがなくなるまでどんどん
真空からクォーク対が生成  ジェット
もとのbbの(bb重心系)エネルギーが高いと多粒子生成
ジェットの先端(ほぼ中央)にはbメソン(約90%)
またはbバリオン(約10%)が存在する
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ジェット生成
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bハドロンの寿命
Particle Data Group  ~ 1.5 picosecond, c ~ 450 mm
Lorentz boostを含まずに450 mmくらい飛ぶ
http://pdg.lbl.gov/
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cハドロンの寿命
bハドロンは基本的にcハドロン+αに崩壊カスケード崩壊
cハドロンの寿命はかなりまちまちだがbよりは一般に短い
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カスケード崩壊
400 mm
60-300 mm
ずれているtrack -> b/c クォーク
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実際には寿命400mmといっても広範に分布します
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粒子の検出・測定方法
荷電粒子
中性粒子
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荷電粒子の検出
検出器で
見える主な
荷電粒子
p (140 MeV)
K (494 MeV)
p (938 MeV)
e (0.511 MeV)
m (106 MeV)
jetの中身は
ほとんどp/K
electron以外は、希薄な物質中では主にionizationで
エネルギーを落とす。
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ionization
charged particle
gas detector
e+e- pair
sensor layer
粒子のエネルギーと物質量で
生成するpairの数は決まる
pairの時間・空間情報を再構成するのが測定器
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electron – multiple scattering
electronは衝突する相手が軽い近似が使えないので
1回1回の散乱の影響が大きい
よって直線上にトラックを描かない
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磁場と運動量
• 荷電粒子の飛跡がわかれば磁場から運動量が
求められる
–
–
–
–
磁場はビーム軸(Z)方向のソレノイド磁場
一様性が重要
r方向に粒子はカールする。z方向は曲がらない
pT [GeV] = 0.3 B [Tesla] r [m]
(ローレンツ力の式から求められる)
– pZとpTの比は粒子の放出角から
求められる  pが求められる
– 精度はとても高い(カロリメータに比べ)
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エネルギーの低い粒子はよく曲がる(rが小さい)
エネルギーの高い粒子はあまり曲がらない
粒子は”Z軸に巻き付く”ように曲がる
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トラックのパラメータ
• 任意の3次元track (helix)は5自由度を持つ
– 原点とtrackの最近接点における
rφ平面での原点との距離(d0)
– 原点とtrackの最近接点における
rz平面での原点との距離(z0)
– 原点とtrackの最近接点における角度φ(φ0)
– trackの曲率半径の逆数(ω)
– trackの放出角のz方向とrφ方向の比(tanλ)
trackの位置(原点からのずれ)、曲率半径が2大測定量
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カスケード崩壊の検出 – 位置の再構成
半導体ピクセル検出器
正負の電荷(electron-hole)
が表裏の間の電圧に引かれる
ピクセルごとに電荷を検出
3レイヤ以上のピクセル検出器
からトラックの飛跡を決定
 トラックが本来の衝突点から
どれくらいずれているかわかる
(impact parameter)
ピクセルの大きさと衝突点と
検出器の距離が分解能を決める
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ステレオワイヤ
斜めに配置したワイヤから
2次元座標を再構成
(ワイヤに接続された電極
から読み出し)
チャンネル数を減らせるが
多数の粒子がヒットした
場合にゴーストが生じる
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ガスTPC
ガス中で多数の
イオン対を生成
電場によりイオン
がチェンバー内を
ドリフトして中央の
カソードと両端の
パッドに当たる
パッド付近で
ガス増幅を行い
たまった電荷を
読み出す
ドリフトは低速な
ので読み出し時間
からZ方向の位置が
求められる
連続三次元再構成
が可能
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ガス増幅
MWPC
GEM (MPGD)
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trackingの性能劣化要因
• 多数の粒子のpileupにより
正しいtrackingができなくなる
• 物質との散乱により荷電粒子の情報が
途中で失われる
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加速器のバンチ構造
X方向: 474 nm
Y方向: 5.9 nm
Z方向: 300 mm
ILCのtrack位置resolutionはO(1mm)なので、
X, Y方向はほぼ1点から生成されるように見える
Z方向は分散し、pileupの分離に使える
554 ns
1300-2600
1msの間に1300 or 2600バンチ、のこり199msは休み
遅い測定器はバンチの分離ができずtrain全体を1度で読むものも
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pileup事象 – ILCではlow pT
1. Pair background
– エネルギーが低いので
Z軸に巻き付き
たくさんのhitを残す
– Vertex detectorの
最内層で顕著
– 高速読み出しやピクセル精細化で対応
2. gg  ff (ll, qq)
– O(1) per BX (qq)
– beam軸方向の粒子を排除して減らす
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物質との散乱
荷電粒子(特にelectron)が物質に
ぶつかるとbremsstrahlung
(制動放射)やmultiple scatteringに
よりもとの電子の運動量が乱される
ことがある
物質量を減らすことで確率を減らせる
ILCのtrackerは低物質量
光子も
物質中で
e+e- pair
に変換
される
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vertex finding
1. 各trackを測定誤差を
入れてtube状に表現
2. すべてのtube対の交点
を探索
3. よい「交点」を採用
4. 他のtrackもつけて再fitを
試す
track
q
D
IP
Vertex-IP
line
Secondary vertex
Single track vertex
(nearest point)
1本しかなくても!
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flavor taggingの方法
• vertexおよびその他の情報を組み合わせて
多変量解析(boosted decision tree)
–
–
–
–
–
Vertexの数
Vertexの質量
Vertexの位置
Vertexのprobability
Trackのimpact parameter
400 mm
60-300 mm
ずれているtrack
-> b/c
クォーク
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ILDのtracking detectors
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ILD tracking performance(1)
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ILD tracking performance(2)
tt
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中性粒子の検出
測定器で見える中性粒子とは
• photon
p0  即座に2 photonに崩壊
• K0 (long, short) K0sは一部途中で崩壊
• neutron
• neutrino  検出不可
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photonの反応
光電効果
高Eではほぼない
コンプトン散乱
中Eでややある
e+e-対生成
中高Eでdominant
荷電粒子と違って
連続的な反応ではなく
大きな変化が
確率的に起こる
本質的には上記反応で
荷電粒子に変換して見る
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radiation length X0
photonの対生成の平均自由行程の7/9
electronのenergyがbremsstrahlungで平均1/eになる物質量
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electromagnetic shower
対生成と制動放射が交互
に起きて粒子がなだれ状に
増大。1粒子のエネルギーが
低下して対生成できなくなる
まで続く。「電磁シャワー」
粒子数と元の光子のエネルギー
はほぼ比例関係。
モリエール半径
(シャワーのエネルギーの
90%が入る半径)
原子番号大、高密度の物質で
小さくなる
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neutral hadronとhadron shower
核破砕反応により主にpionを生成
p0はすぐにphotonに崩壊、電磁シャワーを起こす
ニュートリノも発生するため全エネルギーを
荷電粒子に変換できない  resolutionが悪い
ハドロン相互作用長λは電磁シャワーよりずっと長い
 大きな測定器が必要となる
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カロリメータ
中性粒子の検出方法
• 重い物質で荷電粒子に変換
– シャワーが止まるまで大量の物質が必要
• 荷電粒子を検出器で検出
– 半導体、光、ガス、チェレンコフ、etc
重い物質 兼 光検出器 = 全吸収カロリメータ
– 通常は重い無機結晶(NaI, CsI, BGO, etc.)を使う
– エネルギー分解能は高いが値段も高い、分割は困難
重い物質と検出器を交互に配置=サンプリングカロリメータ
– 鉛、鉄、タングステン板と板状検出器の組み合わせ
– レイヤ数に分解能は依存、高分割可能、安い(検出器による)
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CsI(Tl) Belle
鉛+シンチ CDF
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particle flow
ジェット中には多数の荷電粒子、中性粒子
がいる (荷電粒子~60%, 光子~30%,
中性ハドロン~10%)
カロリメータが微細分割されていれば
ジェット中の各粒子のシャワーを分離できる
trackerの運動量(エネルギー)は非常に正確に決められるので
統計に左右され分解能の悪いカロリメータは使いたくない
※荷電粒子のほとんどはハドロン
 クラスタが分離されていれば荷電粒子由来のクラスタは使わず
代わりに荷電粒子のエネルギーをジェットエネルギーに加算
ハドロンのカロリメータによる寄与を減らし分解能は大幅に向上
ただし微細分割カロリメータが必要
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センサー技術: シリコン
• 5mm角程度に並べたシリコン
のセルでシャワー中の荷電
粒子を検出(trackerと同様)
• 感度が均一
• 微細分割が容易
• 多数のレイヤは高価なため
レイヤ数、面積を最小化する必要がある
• 光検出器と違い厳密な遮光は不要
(ある程度の遮光は必要)
• 増幅機構はないので外部増幅が必須
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シンチレーションと光検出器
• シンチレータに荷電粒子が入ると生じたイオン
がシンチレータ内の蛍光物質を励起し蛍光発生
– プラスチックシンチレータ
– 無機結晶、無機液体、有機液体など
• 蛍光を高感度光検出器で観測
– 光電子増倍管(PMT)
– SiPM (MPPC)
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ILDのカロリメータ
サンドイッチカロリメータ
ECAL: タングステン吸収体, 30X0
HCAL: 鉄吸収体, 6λ
rmin rmax
z
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粒子識別(1) muon
muonはカロリメータ中でほとんどシャワーを起こさずionization
のみで通り抜ける
 カロリメータの後方にmuon検出器を置くことが多い
(ILCではカロリメータの外のソレノイド磁石の外)
カロリメータのシャワー形状で
区別することもできる
簡易な方法ではカロリメータで
落としたエネルギーと
trackerの運動量の比から求める
(カロリメータを突き抜けるため
落とすエネルギーが特に少ない)
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粒子識別(2) カロリメータ
ECALは電磁シャワーを
最大化し、ハドロンは
主に通り抜ける
ECALとHCALでの
energy depositの様子
からphotonとneutral
hadron, electronと
pion/kaonの分離が
可能
シャワー形状からも
分離可能(m, pなど)
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粒子識別(3) dEdx
粒子の質量によって
飛跡検出器に残す
電荷量のエネルギー
依存性が異なる
TPCは電荷量を
精度良く測れるので
荷電粒子の分離が
可能
特に低運動量領域
で強力
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粒子識別(4) time of flight
t2
t1
粒子が通った時間を正確に
測定すると粒子の速度がわかる
速度と運動量から質量がわかる
t0
ただしnsec以下程度の分解能が
必要(カロリメータで可能か?)
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粒子識別(5) チェレンコフ
ガス n~1.000x
エアロゲル n~1.001-1.1
水 n=1.333
アクリル n~1.5
識別したい粒子の運動量や
種類により調整
粒子の速度が媒質中の光速c/nを
超える場合にリング状の衝撃波が発生
粒子の速度と運動量から質量による識別ができる
これをカロリメータ中で電磁シャワーとハドロンシャワーの
識別に用いる方法も(ILCでは未採用)
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物理現象再構成まとめ
e+
e-
Z*
Z
m
m
H
b
b
• Muon
– trackerで運動量測定
 Z massの精密再構成
– muon検出器でmuon ID
• b quark
– カロリメータとPFAでジェッ
トエネルギー測定
 Higgs mass再構成
– vertexで位置測定、
bタギング
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検出器の最適化
ILD: 391 M ILCU (US$ Jan.2012)
もちろん、劇的に性能を向上
する技術/アイデアがあれば
新たに盛り込むことも可能
ILD = ILCの約5%
cost effectiveな測定器
は重要
ECALと磁石がcost
driver
• サイズを小さくする
• 磁場を小さくする
• ECALのテクノロジー
を考える
測定器の性能および物
理への影響を評価中
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final comment
• 物理をやる人も測定器をやる人も
測定器の基本的なコンセプトは押さえておくべし
• まだまだやることはたくさんあります
• 技術的にはongoingな実験より1歩先です
– つまりおもしろい
• 新しいコンセプトもwelcome
• 最適化は物理解析と測定器開発の協調が重要
• 国際協調も重要
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