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FTBL 一周年実験成果発表会

FTBL 一周年実験成果発表会. 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. Outline. QGP(Quark Gluon Plasma) 研究目的 実験セットアップ MRPC TRD. QGP の物理. 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. 量子色力学（ QCD ）の特徴 クォークの閉じ込め 漸近的自由度. 重イオン衝突実験.

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FTBL 一周年実験成果発表会

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  1. FTBL一周年実験成果発表会 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

  2. Outline • QGP(Quark Gluon Plasma) • 研究目的 • 実験セットアップ • MRPC • TRD

  3. QGPの物理 • 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 • 量子色力学（QCD）の特徴 • クォークの閉じ込め • 漸近的自由度

  4. 重イオン衝突実験 • 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 • RHIC-PHENIX • √sNN=200GeV　Au+Au • LHC-ALICE • √sNN=5500GeV　Pb+Pb

  5. 実験目的 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

  6. setup Scintillation Counter TRD MRPC PbGlass for TOF Trig

  7. ＭＲＰＣ 坂田洞察

  8. MRPC（Multi-gap Resistive Plate Chamber） Gas を充填 荷電粒子 読み出しpad PCボード(絶縁) 電極(HV) gap 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 多数のギャップからの誘起電荷の重ね合わせ 良い時間分解能 検出効率の向上

  9. 2 Types of MRPC 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 stack6gaps ~60ps Double stack 5gaps ~50ps (左図の青線) 左図：Double stack 3gap(赤）/5gap(青）の時間分解能vs電場 引用　ALICETOFTechnical Design Report Resolution[ps] 9 Electric Field[kV/cm]

  10. 実験計画 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

  11. 時間分解能＆検出効率のType 依存性 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

  12. 入射角度依存性① 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

  13. 入射角度依存性② ( ) ( ) 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

  14. MRPCまとめ 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

  15. TRD 横山広樹

  16. 研究背景 • 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 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

  17. TR(遷移放射) TR-photonの効果が顕著 TR強度 遷移放射強度 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 • 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 17 • 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 運動量

  18. TRD-prototype • radiator部/drift chamber部 • Radiator部でTR-photonが発生する。 • 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。 • 電子がanodeに向かいドリフトし、anode wireに吸収される。 • 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 18

  19. measurement 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

  20. Pad Response Function Pulse height is defined as sum of three adjacent pad’s induced charges. 20 distance from CM vs. proportion of induced charge to sum of them. Full width of signal sharing in azimuthal direction is 3pads.

  21. シグナル 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 DriftRegion AmplificationRegion 21 さまざまなパラメータを取りだすことが可能 21 時間

  22. Gas Gain Mean pulse height Ar+CO2(85,15) Xe+CO2(85,15) Mean pulse height Drift Voltage -2100V Anode Voltage 1500V 1450V 1400V 1350V 1300V time time Anode voltage vs pulse height Ar+CO2(85,15) Xe+CO2(85,15) Pulse height at Amp region Gas gain by avalanche can be fitted by exponential function of anode voltage 22 22 Anode voltage

  23. Drift velocity Anode Voltage 1500V Drift Voltage -2100V -2000V -1900V -1800V -1700V Ar+CO2(85,15) Xe+CO2(85,15) Mean pulse height Mean pulse height time time Electric field vs Drift velocity Ar+CO2(85,15) Xe+CO2(85,15) Drift Velocity Drift velocity for Ar gas is about three times larger than that for Xe gas 23 23 Electric Field of Drift region

  24. Electron attachment a/b is defined as sign of electron attachment. Attenuation of signal by electron attachment b a 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/b Ar+CO2(85,15) Xe+CO2(85,15) Stay time of electron The attenuation of signal by H2O or oxygen depends on time that electrons stay in the chamber. 24

  25. TR-photon signal(1) • 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 25 25 time time

  26. TR-photon signal(2) • 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 Ar+CO2(85,15) Xe+CO2(85,15) • Depth of TRD-prototype is 30mm. • 95%(in Xe),28%(in Ar) TR-photon energy is absorbed. Depth of detector from drift electrode(mm) 26 26

  27. resolution in azumuthal direction Calculate center Pad number time Pad number time Data for fit Angle=20° Measure difference between this point and fited line Resolution(angle 0°)is about 400μm 27 27 1pad(=8mm)

  28. TRD summary • 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.

  29. MRPC part Back up

  30. 設計 10*10cm ボード 　　ガラスエポキシ Pad 　　　銅箔フィルム　 2*6cm ×3 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 2cm 1mm 10cm 6cm 10cm Double stack 5gaps 電極：カーボンフィルム Outer Glass : 1mm Inner Glass : 550μmm Gap 幅 : 250μm 30

  31. 時間分解能と検出効率 MRPC START 40cm TOF = TOF [ch] TOF分布(１ch=24ps) Double stack 5gaps E=12.8kV/mm Sigma=3.87 Resolution of MRPC = Efficiency = 31

  32. 誘起電荷分布 上段：MRPCの電荷分布(10倍AMP後) 下段：MRPCのTOFvs電荷相関 ADC[ch] ADC[ch] ADC[ch] E=9.9[kV/mm] A=0° E=12.8[kV/mm] A=0° 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]

  33. TRD part Back up

  34. EnergyDeposit Xe Ar

  35. Resolution

  36. Angle vs resolution

  37. Absorption length

  38. Gain vs anode voltage

  39. 質量とローレンツ因子の関係 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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