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ILC検出器(仮称) - 信州大学 高エネルギー物理学研究室（HE研）
1 ■ 研究紹介 ILC 検出器 (仮称) 東北大学理学研究科物理学専攻 石川 明正 [email protected] 信州大学理学部物理学科 小寺 克茂 [email protected] 九州大学理学研究院物理学部門 末 原 大 幹, 吉 岡 瑞 樹 [email protected], [email protected] ブリュッセル自由大学 与那嶺 亮 [email protected] 2011 年 (平成 23 年) 10 月 1 日 1 1 はじめに 2 国際リニアコライダー計画 (International Linear Col- 3 lider: ILC) の検出器詳細設計書 (Detailed Baseline Doc- 6 ument: DBD) が加速器の技術設計書とともに 2012 年 末に完成し，2013 年 6 月に公開された [1]。ILC の物理 については前号の高エネルギーニュースに研究紹介記事 7 が掲載されているので [2]，本稿では ILC の検出器につ 4 5 8 9 いて解説する。2004 年にリニアコライダー加速器の基本 25 ILC における検出器は，加速器の性能を最大限に発揮 26 するために従来の電子・陽電子コライダーで用いられて 27 いた検出器性能を大きく凌ぐ必要がある: 28 29 30 31 32 技術が超伝導加速空洞に決定されてから，ILC 計画は急 10 速に進展してきた。当時，検出器コンセプトは 4 つあり，33 11 2006 年には検出器骨子書，2007 年には検出器コンセプ 12 ト報告書が各検出器コンセプト検討チームにより作成さ 13 れた。各検出器グループともに次のステップは先に述べ 14 た DBD の作成であったが，ILC 計画は実験の数が 2 つ 15 に限られていたため，検出器コンセプトを 2 つに絞る必 16 要があった。そこで，各検出器グループから Letter of 18 Intent(LOI) が国際検出器諮問グループ (International Detector Advisary Group: IDAG) に提出され，2009 年 19 に 2 つの検出器コンセプトが IDAG による「認証」1 を 17 34 優れた Impact Parameter 分解能： σ ≤ 5 ⊕ 10/pβ sin3/2 θ (µm) • ヒッグス反跳質量測定のための荷電粒子に対する高 い運動量分解能：σ/p2t ≤ 5 × 10−5 (GeV/c)−1 ILD，SiD ともに上記性能を満たすために先進的なテク 36 ノロジーの高精細センサーを搭載した検出器となってい 37 る。日本グループは主に ILD 検出器コンセプトに関す 38 る開発研究を行っているので，以下では ILD 検出器に 39 ついての詳細を述べる。ILD 検出器は直径ほにゃらら 40 m の円筒形の汎用検出器になっている。図 1 に ILD 検 41 出器の完成イメージ図を示す。ILD 検出器の主要 3 検 42 出器は，崩壊点検出器として高精細かつ低物質量のピク 43 セル検出器，飛跡検出器として高分解能かつ低物質量の 受けた。現在は ILD[]，SiD という 2 つの検出器コンセ 21 プトが提案されており，push-pull 方式で一つの衝突点 22 を共有する予定である。なお，ILD の LOI は当時アジ 23 ア主導の GLD と欧州主導の LDC が統合して執筆した。 24 SiD は一貫して北米主導のもとで検討を行っている。 44 45 ”validation”，と言われていた。 • ジェットのフレーバーを高い効率で同定するための 35 20 1 当時， • W と Z の不変質量を分離できるだけの高いジェッ √ トエネルギー分解能：σ/Ejet ≤ 30%/ Ejet Time Projection Chamber (TPC)，高精細センサーを 備えたサンプリングカロリメータが検討されている。事 46 象再構成にはこれらの高精細検出器を最大限に活かす 47 ため，Particle Flow Algorithm (PFA)[4] と呼ばれる手 48 法を用いる。これは，ジェット中の各粒子のエネルギー 2 2 64 2.1 66 67 ることである。b ハドロン，c ハドロンはそれぞれ 1.5ps， 68 0.4ps 程度の寿命を持つため，生成点 (一次崩壊点) から 69 数百 µm から数 mm 飛んだ後に崩壊する。また，崩壊 70 は b → c → s のように起こるため，b クォークジェット 71 は一次崩壊点，二次崩壊点 (b → c)，三次崩壊点 (c → s) 72 の 3 つの崩壊点を持ち，c クォークジェットは 2 つの崩 73 壊点，u,d,s クォークジェットとグルーオンジェットは 1 74 つの崩壊点しか持たない。つまり，ジェット中の荷電粒 75 子の飛跡を精密に測定・外挿し，一次・二次・三次崩壊 76 点を検出できればクォーク識別が可能となる。特筆すべ 77 きは c クォーク識別はクリーンな環境のレプトンコライ 78 ダーでのみ可能であり，c クォークの湯川結合の測定を 79 可能にする。 80 クォーク識別をするために ILC 崩壊点検出器に要求 81 1 位置分解能が 3µm 以下，⃝ 2 多重 される主な性能は⃝ 82 クーロン散乱を抑えるために 1 レイヤーあたりの物質 83 3 最内層の半径が 1.6cm，⃝ 4 占有 量が 0.15X0 以下，⃝ 84 率が数%以下である。他の実験と比較し厳しい要求で 85 あるが，ILC 崩壊点検出器の放射線環境は 1kGy/year， 86 1011 1eV neq /cm2 /year とハドロンコライダーと比較し 87 クリーンであるため，放射線耐性や占有率をそれほど気 88 にせずに検出器の分解能を上げることを開発項目にで 89 きる。 90 崩壊点検出器の構造を図 3 に示す。一見 3 レイヤーの 91 ように見えるが，2 レイヤーを一組としたダブレットが 図 2: (color online) モンテカルロシミュレーションによ 92 るイベントディスプレイ。 93 49 を，荷電粒子は飛跡検出器で，中性粒子はカロリメータ 50 で「重複なく」測定するという方法であり，これにより 51 ジェットエネルギーの大幅な向上が期待される。図 2 に 52 モンテカルロシミュレーションによるイベントディスプ 53 レイを示す。荷電粒子は PFA によりカロリメータ中の 54 シャワーと飛跡検出器のトラックが対応づけられ (図中 55 の各色に対応)，この場合はトラックの曲率からエネル 56 ギーが測定される。トラックが対応しないシャワーのエ 57 ネルギーはカロリメータで測定される。PFA において重 58 要なことはジェット中の各粒子の同定・分離であり，こ 59 のために 3 次元的に高精細な検出器が必須となる。以下 60 の各節では崩壊点検出器，飛跡検出器，カロリメータの 61 主要 3 検出器の詳細について，日本グループの活動を交 62 えて述べる。 崩壊点検出器の概要 ILC 崩壊点検出器の主な目的は b クォーク，c クォーク を識別し，軽い u,d,s クォークとグルーオンから分離す 65 図 1: ILD 検出器の完成イメージ図。 崩壊点検出器 63 94 3 層あるため，計 6 レイヤーからなる。最内層の半径は 1.6cm であり | cos θ| < 0.96 をカバーし，最外層の半径 は 6.0cm であり | cos θ| < 0.90 をカバーする。 図 3: 崩壊点検出器の構造。 3 95 96 2.2 崩壊点検出器のセンサーテクノロジー されており，一つの読み出しチャンネルで 20000(横) × 142 128(縦) ピクセルを読み出す。トレイン中に得たヒット 143 情報をトレイン間にバケツリレーのように電荷を転送 144 していく事により読み出す。そのため高速な ADC が必 145 要となる。電荷の転送はピクセル内のポテンシャル井 146 戸を電圧をかけて制御し行う。放射線により 0.17eV と 147 0.42eV にトラップレベルが発生し電荷転送効率が悪化 148 することがわかっているため，-40 ℃まで冷やし電荷転 上記の要求を満たすべくピクセル崩壊点検出器の開 97 発が世界中で行われている。代表的なものはフランス 98 の MIMOSA/AROM (CMOS センサー)，ドイツが主 99 の DEPleted Field Effect Transistor (DEPFET)，アメ 100 リカの Chronopixel (CMOS センサー)，そして日本の 101 Fine Pixel CCD (FPCCD) である。すべてのテクノロ 102 ジーでセンサーと読み出しが一つのチップに統合され 103 たモノリシック型を採用しているため，ハイブリッド型 104 141 149 送効率の悪化を防ぐ。低物質量のクライオスタットは重 150 要な開発項目である。また，センサーの厚みは 50µm と 151 薄いため，低物質量で安定な支持構造の開発も行わなく と比較し物質量を抑えることが可能で，1layer の厚さは 106 50µm 程度である。 152 ILC は 1312(または 2625) の電子（もしくは陽電子） 107 バンチが 1ms のトレインを形成し，トレインが 5Hz で 108 衝突するビーム構造である。トレイン間の 199ms はビー 109 ム衝突が起こらない。このようなビーム構造で占有率を 110 十分小さい値に抑えるために 2 つの読み出し方法が考え 111 だされた。1 つ目は比較的大きなピクセルを用いるが， 105 112 ビーム衝突の 1ms の間に 10 回から 100 回程度データを 113 読み出し占有率を下げる方法で，MIMOSA/AROM や 114 DEPFET が採用している。2 つ目は非常に小さなピクセ 115 ルを用い，ビーム衝突中はヒットを格納しビームが衝突 116 しない 199ms にデータを転送する方法で，Chronopixel 117 や FPCCD が採用している。前者はトレイン間に読み 118 出し回路の電源をオフにする power pulsing を用い消費 図 4: FPCCD 小型プロトタイプチップ。 119 電力を下げることが可能であり，後者は高 γ ファクター 153 120 の電子・陽電子ビーム起因の EMI ノイズが読み出し中 121 に乗らないという長所がある。 154 155 124 MIMOSA/AROM は Brookheaven の STAR 実験及 156 び CERN の ALICE 実験，DEPFET は KEK の Belle 157 II 実験に採用され，また CCD は CERN の NA32 実験 125 や SLAC の SLD 実験 [5] で活躍した。 122 123 126 127 128 129 130 131 2.3 Fine Pixel CCD (FPCCD) 約 109 と膨大である。有感層の厚さは 15µm で全空乏 133 化されており電荷の拡散を防ぐ。前述の SLD 実験に用 134 いられた CCD は 20µm 角であるので，ピクセルサイズ 135 は 16 倍も高精細である。現在までに 6µm 角の FPCCD 136 が開発されており，8µm まで動作確認をしている。図 1 データ読み出し 読み出し ASIC に要求される性能は⃝ 1 ノイズレベル 30 電子以下， 速度が 10M pixel/s 以上，⃝ 159 用いた。ノイズを抑えるためにローパスフィルターと相 160 関二重サンプリング回路を実装した。現在までに 3 回 161 のチップ試作を行なっており，三次試作は TSMC 社の 162 0.25µm プロセスを用いてすべての問題点をクリアした。 2.5 研究体制 FPCCD は KEK，JAXA，信州大学，東北大学が開 165 発を行なっている。日本の研究機関しか参加していない 166 が，メンバーにはインド人，スペイン人，ドイツ人がお 167 り (過去にはベネズエラ人もいた)，ILC が国際的であ 168 ることを実感する。今後はビームテストによる電荷の拡 169 散・位置分解能・検出効率の測定，6µm 角 CCD の動作 170 検証，5µm 角 CCD の開発を行ない，ILC 開始に向けて 139 140 載されておらず，CCD の横にのみ読み出し回路が搭載 138 FPCCD 読み出し ASIC 158 4 は小型プロトタイプチップで 4 つの領域にわかれてお 171 り，上から 12, 9.6, 8, 6µm 角のピクセルが搭載されて いる。CCD であるので pixel ごとに読み出し回路は搭 137 2.4 1 消費電力 6mW/ch である。消費電力を抑えるために ⃝ 電荷再配分型の逐次比較 ADC を用い，また読み出し速 度を達成するために 5M pixel/s の ADC を 2 つ並列に FPCCD は pixel サイズを 5µm 角 (3∼6layer は 10µm 角) と非常に細かくすることで，チャンネル数を増やし 占有率を低く抑え，さらに位置分解能 1µm 以下を達成 163 √ する。シミュレーションによると s = 500GeV での最 164 内層の占有率は 1.2%と十分小さい。総チャンネル数は 132 てはならない。 センサー技術の完成を目指す。 4 飛跡検出器:TPC 172 3 173 3.1 (b) (c) (d) ILD-TPC 174 前述のように，PFA の性能を最大化することが ILD 175 飛跡検出器の設計理念である。すなわち，3.5 T の高磁場 176 中で，荷電粒子を高い精度で運動量測定し，かつ 100%に 177 近い効率で飛跡再構成を行うことである。これらの目標 178 達成に対し ILD では，ガスを用いたタイムプロジェク 179 ションチェンバ (以下，TPC[6]) を採用する。 180 (a) 荷電粒子が TPC 内を通過すると，飛跡に沿って TPC 181 中のガスがイオン化され，そのときにできる電子 (以下， 182 信号電子) を読み出すことによって飛跡の位置を検出す 183 る。TPC は，他のガス検出器と比べると，信号電子を 184 長距離ドリフトさせる点が特徴的である (ILD-TPC の Scienergy 製 GEM 型ゲート全体 (b)・拡大写真 (c)。(d) 185 場合，およそ 2 m !)。信号電子は微量であり，読み出し はより高い開口率を目指した Fujikura 製 GEM 型ゲー 186 には，高電場をかけたガス中での信号増幅 (以下，ガス ト拡大写真。 187 増幅) を必要とするのは，他のガス検出器と同様である。 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 図 5: ILD-TPC 用に試作されたワイヤーゲート (a) と TPC 端部では，ガス増幅の後，読み出し電極から信号 216 電子の二次元位置情報，ドリフト時間，電荷量を読み出 217 し，最終的に飛跡を三次元的に再構成する。TPC の主 218 を用いると，ローレンツ力の影響を小さく抑えることが な利点は以下の通り： 219 質量 · 不感領域を減らすことができる。MPGD の中で 220 も，ILD-TPC では，GEM や Micromegas に 1×6 mm2 1. バレル部にフロントエンド読み出し回路 (以下，FE 221 回路) が不要で，物質量を大幅に低減できる。 2. 1 飛跡当たりの測定点が大きい (200 点以上)。堅牢 222 な飛跡再構成と dEdx 測定による粒子識別を実現。223 3. 信号収集のために TPC 内かける電場 (以下，ドリ フト電場) と，運動量測定のための磁場がほぼ平行。224 一方で，微細構造をもったガス増幅機構 (MPGD)[7, 8] できるうえ，頑丈なサポートフレームが不要になり，物 程度の読み出し電極を組み合わせる方法が有力である。 アップグレードを見据えたピクセル読み出しの研究開発 も行われている。 ゲート機構 198 ドリフト中の信号電子の拡散が抑えられ，長距離ド リフトさせても高い位置分解能 (100 µm 以下) が達 225 199 先に述べたイオン FB を防ぐために，電場を変化させ 成可能。これにより，ILD 全体として運動量分解能 226 200 て電子やイオンの通過，遮蔽をコントロールする仕組み σ(1/pt ) =2×10−5 GeV−1 を実現させる。 227 201 をゲートと呼ぶ。すでにワイヤーを用いたゲート機構が 228 確立されているが，ワイヤーを張るための頑丈なフレー 202 一方で，長距離ドリフトさせると，電場や磁場の歪み 229 ムが必要であり不感領域が大きい。そのため，GEM の 203 の影響を受けやすいというデメリットもある。たとえば 230 構造をもったゲート機構に強く期待が寄せられている。 204 電場の歪みは，TPC の構造的な精度だけでなく，イオ 231 この GEM 型ゲートの開発においては，信号電子の透過 205 ンフィードバック (以下，イオン FB) による効果も無視 232 効率を最大化することが鍵となる。図 5 は，ILD-TPC 用 206 できない。イオン FB は，ガス増幅過程で生じるイオン 233 に試作されたワイヤーゲートと GEM 型ゲートである。 207 が，ドリフト領域に逆流していく現象である。この逆流 208 したイオン群がドリフト電場を乱すのである。 234 ILD-TPC を支える基盤技術 209 3.2 210 MPGD 235 236 237 パワーパルシング FE 回路が実装される TPC 端板 (エンドプレート) の 物質量低減という観点から，FE 回路のコンパクト化も 重要である。それに伴い，高密度化する熱源からうまく 熱を取り除く工夫が必要である。その対策の一つとして， 211 ワイヤーによるガス増幅機構 (MWPC) は，これまで 238 212 の素粒子実験において優れた実績をもつ。しかしながら，239 FE 回路の消費電力そのものを減らすパワーパルシング が検討されている。ILC のビームバンチ構造に最適化し 214 ILD-TPC においては，3.5 T 磁場によるローレンツ力 240 が信号電子群を広げる方向に働いてしまうため，位置分 241 215 解能，飛跡分離能を致命的に悪化させてしまう。 213 た電力管理の仕組みである。 5 図 7: 両脇のフレームがない GEM モジュール (左) と境 図 6: LP-TPC の内部 (左)。奥に７つのダミーモジュー 界の電場の歪みを調べるためのテストベンチ (右) ルが見える。側面にはドリフト電場を形成するストリッ プがならんでいる。実際のビームテストのイベントディ 273 冷却システムを活かし，実機に即した試験ボードの作成， スプレイ (右) 試験を行っている。 274 276 今回はハードウェア開発を中心に紹介してきたが， TPC 内部の磁場マップをつかい，不均一磁場中でも飛 277 跡再構成性能を維持するアルゴリズムなど，ソフトウェ 278 アの面でも重要な活躍をしている。 275 これまでの活動 242 3.3 243 LCTPC コラボレーション 244 245 大型試験機 (以下，LP-TPC) の制作と，ビーム試験 施設 (DESY) の整備が国際協力のもとで進められた [9]。 248 LP-TPC の制作を通して，実機建設に向けた技術の問 279 題点を洗い出すこと，実機に即した測定環境を構築する 280 ことが目的である。読み出し検出器 (MPGD+読み出し 249 電極) は一式のモジュールとなっており，LP-TPC では， 250 様々な試験モジュールに組み替えることができる (図 6)。 251 隣り合うモジュール境界に生じる電場の歪みなど，より 246 247 252 実機に即した性能評価が可能である。 253 モジュールに関しては，日本を含むアジアグループ, ド 254 イツの DESY グループや Bonn 大学，フランスの Saclay 255 グループなどがそれぞれ異なる試験モジュールを制作 256 し，性能評価を行っている。他にも，均一なドリフト電 257 場と軽量性が求められるフィールドケージは DESY グ 258 ループ, 軽量かつ高剛性のエンドプレートはアメリカの 259 260 261 262 これまで，MPGD 読み出し TPC の位置分解能公式 263 の開発，TPC 性能のガス組成依存性の基礎的研究, イ 264 オンフィードバックによる位置分解能への寄与の見積も 265 り, GEM 型ゲートに関するシミュレーションとハード 266 ウェア開発など，ILD-TPC 開発を支える基礎研究の中 267 心的役割を果たしている [10]。 268 日本を主体とするアジアグループが推進する検出器モ 269 ジュールのコンセプトは，隣合うモジュールの境界に生 270 じる不感領域の最小化である (図 7)。 271 272 パワーパルシングや冷却構造の検討としてシミュレー ションを進めているほか，KEK 測定器開発室の 2 相 CO2 ILC カロリメータ カロリメータは，中性粒子およびジェットのエネルギー 281 を主に測定するための測定器である。ILC のカロリメー 282 タは，前述の PFA の効率を最大化するよう設計されて 283 いる。PFA において，ジェットエネルギー分解能は，カ 284 ロリメータ自身のエネルギー分解能に加え PFA による 285 ジェット中の粒子分離能に左右される (図 8)。粒子分離 286 能を上げるにはカロリメータの細分化が必要であり，そ 287 のため ILD のカロリメータは横方向，縦方向とも微細 288 に分割されている。重い発光物質を使う一様カロリメー 289 タは微細分割が難しいため，我々は吸収体と微細分割さ 290 れた発光体をサンドイッチ構造としたサンプリングカロ 291 リメータを提案している。 Cornell 大学, DAQ・FE 回路はスウェーデンの Lund 大 292 学，CERN，日本が中心となって開発を進めている。 日本グループの活躍 4 カロリメータ (超前方は除く) は主に電磁シャワーのエ 293 ネルギーを測定する ECAL と主にハドロンシャワーの 294 エネルギーを測定する HCAL に分かれる。電磁シャワー 295 の発達は早いため ECAL の厚みは大きくないが密なシャ 296 ワーのためより細かい分割が必要とされる。HCAL は長 297 いハドロン相互作用長のため大きな体積が必要とされる 298 が分割度は ECAL ほど細かくなくてもよい。ECAL に 299 はタングステンの吸収体とシリコンパッドまたはシンチ 300 レータと MPPC を用いたセンサー部を 30 レイヤー重ね 301 たものが基本デザインとなっている。タングステンの厚 302 みは前 20 レイヤーが 2.1 mm, 後 9 レイヤーが 4.2 mm 303 となっている。最前方レイヤーには吸収体がない。セン 304 サーのデザインについては後で述べる。HCAL は 48 レ 305 イヤの鉄の吸収体 (合計 6 相互作用長) と 1 cm または 306 307 3 cm 角のセンサーより成り，6 相互作用長が確保され る。センサーとしては，シンチレータと MPPC による 6 Gap Pixel ions Pixel SiO 2 Metal (Al) + P e-h pair N substrate Metal (Al) 図 9: シリコンカロリメータセルの模式図。各セルは P+ 半導体にアルミの電極が接続されている。バイアス電圧 は下部の電極より供給される。 336 プトンフィルムで絶縁した電極によって送られる。セン 337 サーのピクセル側は PCB と金属 Glue で接続されてい 図 8: ジェットエネルギー分解能のエネルギー依存性。338 る。PCB には SKIROC という ASIC が搭載されている。 高エネルギーでは PFA の失敗 (confusion term) による 339 341 SKIROC は ILC シリコンカロリメータのためにフラン スの OMEGA グループで開発されているもので，1 枚 のチップで 64 チャンネルの読み出しを行うことができ 342 る。SKIROC にはプリアンプ・高速シェーパー (トリガ 343 用) および 2 種類のゲインを持つ低速シェーパー，ADC 344 および 15 チャンネルのアナログメモリが含まれている。 345 アナログメモリは ILC のバンチトレイン構造に合わせ， 346 1 トレイン (1 ms, 1712 バンチ) 間に各チップで発生し 310 シリコン ECAL は正方形のセルを並べたシリコンパッ 347 たトリガとそれに対する各セルの ADC 値を 15 イベン 311 ドを敷き詰めたものをセンサーレイヤとするカロリメー 348 トまで保存し，トレイン間 (199 ms) に読み出しを行う 312 タで，現在パッドの厚みは 500 µm (320 µm に変更され 349 ものである。AD 変換されたデジタルデータは SKIROC 313 る見込み)，セルサイズは 5 × 5 mm2 が基本デザインと 350 最大 32 個がシリアル接続されたバスを通してデータを 314 なっている。30 レイヤの ECAL 全体では現在の ILD の 351 読み出し部へ送る。 315 大きさでは約 1 億セルとなる。現設計では 16 × 16 セ 316 ルで 1 枚のパッドとなっている。このような多数のチャ 317 ンネルを持つカロリメータは過去に例がなく，ILC 測定 318 器の最大の特徴となっている。 寄与が大きくなり，低エネルギーではカロリメータ自体 340 のエネルギー分解能の寄与が大きい。 308 309 ものまたはガス RPC によるものが提案されている。 4.1 シリコン ECAL 319 シリコンセルの構造を図 9 に示す。シリコンパッドは 320 n 型半導体のバルク部分と p 型 (p+ 型) のセル部分およ 321 びインシュレータ，メタル電極から成っている。セル部 322 分とメタル電極は多数のピンで接続されている。電極間 323 には 120 V (現在の仕様) の逆バイアス電圧がかけられ， 324 全空乏化状態で運転する。セル間の不感領域は 10 µm 325 とセルサイズの 5 mm に比べ十分小さい。センサーの 326 リークカレントや静電容量の電圧依存性は仕様とよく一 327 致しており均一な性能が得られている。パッドの境界に 328 絶縁のためのガードリングを用いる必要があるかどうか 329 については現在検討を進めている。 330 図 10 はシリコン ECAL のレイヤ構造 (Slab) を示し 331 ている。シリコン ECAL では 1 レイヤのタングステン 332 吸収体と 2 レイヤのセンサー・エレクトロニクスをパッ 333 ケージ化したものを Slab とし，タングステン構造体 (兼 334 吸収体) の間に挟み込んでレイヤ構造を形成する。セン 335 サーに供給する 120 V のバイアス電圧は 100 µm のカ 図 10: シリコンカロリメータのレイヤ構造。 352 このように変換回路がセンサーに直結した構造になっ 353 ているため，ILD カロリメータでは変換回路での発熱・ 354 消費電力を抑えるべく，Power Pulsing という運転方法 355 を用いる。これは 1 ms の間に多数のバンチが到来し， 356 その後 199 ms の空白区間があるという ILC のバンチ 7 357 構造を利用し，空白区間のうち読み出しに必要な時間を 358 除いた部分では回路の電源を落とす仕組みである (セン 359 サーにかけるバイアス電圧は落とさない)。 360 これらの要素を一通り備えたプロトタイプ (techno- 361 logical prototype) が完成し，昨年 7 月に 10 パッド分の 362 センサーおよび回路を用いて DESY にてビームテスト 363 を行った (図 11)。ASIC および PCB，読み出し等にま 364 だいくつか問題を抱えているものの，電子のトラックや 366 MIP 信号を収集することに成功した。power pulsing 運 転も行い，回路にパワーを供給してから 600 µs 以内は 367 ゲインのドリフトがあるもののその後は安定して運転 368 が可能なことがわかった。今後 ASIC や PCB の改良を 369 行った後，より大規模な試験を行う。 365 図 12: 2008 年に Fermilab で行われた陽電子ビームテ ストによるエネルギー分解能のビームエネルギー依存 性。パッド間のギャップ補正により分解能は向上するが， ギャップを除いた分解能には及ばない。 図 11: DESY にてビームテストが行われたシリコンカ ロリメータ technological prototype。 377 シミュレーションによる最適化，シリコンセンサーの 378 基礎特性解析で貢献しており，今後 DAQ や構造の最適 379 化についても研究を進めていく予定である。 380 5 381 382 383 シリコンカロリメータ自体の性能については，2007 年 384 シンチレータ ECAL (ScECAL) ScECAL では， 45 × 5 mm2 の小さな短冊形プラス ティックシンチレータを層毎に直行させて配置する。各 シンチレータの発光を現行 2.45 × 1.9 × 0.85 mm3 の パッケージに封入された 1 × 1 mm 有感面積の PPD で および 2008 年に 30 レイヤ (フルレイヤ) を用いたビー 385 読み出す。利点は, 1) チャンネル数を ∼ 108 から ∼ 107 ムテストを CERN および Fermilab で行っている。本 386 まで一桁減らすことができる，2) プラスティックシンチ ビームテストは 1 cm × 1 cm のセルサイズかつ変換・387 レータの柔軟性が，温度変化，移動時の工学耐性に富ん 読み出し回路はレイヤの外にある physics prototype を 388 だ検出器の作成を可能とする，3) 時間分解能が ∼ 1 ns， 用いて行われた。本プロトタイプはパッド間のギャップ 389 が大きい構造だが，ギャップ部分を除いた性能としては， 4) 磁場の影響を受けない，である。図 13 左) に，一枚 のタングステン吸収層を挟んだ２枚の検出層と，右) に 6-45GeV の電子ビームに対して シンチレータと PPD の一例を示す。 390 (16.53 ± 0.14 ± 0.50)% √ + (1.07 ± 0.07 ± 0.10)%，(1) E[GeV/c] (誤差の第一項は統計誤差，第二項は系統誤差) 4-20 GeV の陽電子ビームに対して (16.67 ± 0.30 ± 0.44)% √ + (1.75 ± 0.24 ± 0.39)%，(2) E[GeV/c] 370 371 (preliminary，誤差は (1) 式と同様) のエネルギー分解能が得られた。 図 13: 左) ScECAL 二層。右) シンチレータと PPD。 391 374 ILD の た め の シ リ コ ン ECAL の 開 発 は フ ラ ン ス の LLR (Laboratoire Leprince-Ringuet)， LAL(Laboratoire de l’accelerateur lineaire)，九 州 392 375 大学，東京大学を中心としたグループによって進めら 376 れている。日本グループは特にビームテストの解析や 372 373 6 基本性能 393 この ScECAL 180 × 180 mm2 , 30 層のプロトタイ 394 プを作成し，2008 年と 2009 年に Fermilab で 2 GeV 8 395 396 397 398 399 400 - 32 GeV の 電子ビームに対する性能試験を行った。429 この実験で検証された ScECAL のエネルギー分解能 430 √ は，統計項が (12.8±0.1(stat.)±0.4(syst.))/ E(GeV)，431 定数項が (1.0 ± 0.1(stat.)+0.5 −1.0 (syst.) )% であり，期待 432 通りの性能を示した。また，直線フィットからの最大の に設置された 144 の短冊型シンチレータである。シンチ レータは各が反射フィルムで覆われており，それによっ て適度な光量と光量の位置一様性，光クロストークの抑 制を保持している。 ずれは 1.6 ± 0.7%である。 401 ScECAL の特徴は，短冊形シンチレータを用いてその 402 幅相当の正方分割度を引き出すことであり，strip split- 404 ting algorithm (SSA) と呼ばれる方法がすでに確率され ている。 405 この方法を用いた場合の 100 GeV ジェットのエネル 406 ギー分解能を短冊セルの長さの関数として図 14 左に 407 示す。短冊の長さを 60 mm に伸ばしても，ジェットエ 408 ネルギー分解能は良く保たれている。また，図 14 右は 409 5 × 5 mm2 , 45 × 5 mm2 , 15 × 15 mm2 セル ScECAL の， 403 チャンネルをコントロールする。右の写真は基板の裏側 図 15: 4 つの ASIC を搭載した基板と, 左) と，その反対面 に敷き詰められている 144 のシンチレータ, 右). 433 411 412 413 45 GeV - 250 GeV のジェットのエネルギー分解能であ 434 り，SSA を使った場合の 45 × 5 mm2 ScECAL は，同 435 図 16 左はビームテストで得た最小電離損失粒子 じセル面積を持つ 15 × 15 mm2 の場合より明らかに 436 (MIP) に対する反応の ADC カウント分布である。閾 値 0.5 MIP 直上の 4 光電子ピークから見え，最大頻度 437 にあるのは 7- 8 光電子ピークである。図 16 右は 3 GeV 438 の電子ビームに対する SSA による 5 × 5 mm2 細分割の よく，5 × 5 mm2 ScECAL からの劣化はわずか 0.2% で 5 45×5 w/o SSA 15×15 45×5 w/ oSSA alt10 w/ oSSA Sc 5×5 Si 5×5 4 4.5 4 RMS90/E RMS90/E 様子を見せている。 (%) (%) ある。さらに，一層毎に短冊層を 10 × 10 mm2 の正 3.5 Entries 410 800 3 ScECAL w/o SSA 2.5 2 600 3 ScECAL w/ SSA 1200 1000 3.5 400 0 20 40 60 Length of strip 80 100 (mm) 0 50 100 150 200 250 300 Energy of One Jet du(GeV) 200 0 300 図 14: SSA を使った場合と使っていない場合のジェットエネ 416 5 × 5 mm2 ScECAL の場合とほとんど遜色がなくなる 417 (legend alt10 w/ SSA)。 6.1 ILD への実装 419 この技術を ILD に実装するために，ScECAL でもセ 420 ンサーの読み出しからデジタル化までの機能を一ボード 421 におさめ，層間に埋め込む設計を採用する。2013 年に 700 800 900 439 440 441 418 600 図 16: MIP シグナル 左) は 4 p.e. ピークから立ち上がり， 最確値付近には 7 - 8 p.e. ピークが見えている。右は 3 GeV 電子ビームによる 5 × 5 mm2 分割されたエネルギー分布. 414 方セルに置き換えた場合，ジェットエネルギー分解能は 500 ADC counts ルギー分解能のシンチレータ長さ依存性, 左) と，各種シンチ レータ形状による 45 - 250 GeV ジェットのエネルギー分解能, 右). 415 400 6.2 ScECAL 今後の展望 現在のデザインでは PPD はレイヤーに垂直配置され， 442 幅 ∼ 0.9 mm 死空間を 45 mm 毎につくる。これを抑え 443 るために，PPD をシンチレータの下面に装着するデザ 444 インを最近考案し，実験室内ではその効果を確認した。 445 また，クラスターのモリエール半径を抑え，ECAL の 446 厚みも抑えるために，シンチレータの厚みを 1 mm に減 447 らす研究も行っている。 422 はこのために開発した基板２層のプロトタイプについて 423 ビームテストを行った。図 15 左) は一層の基板と，基板 424 をコントロールするインターフェース群の写真である。 425 基板には４個の ASIC (SPIROC2, Omega) が搭載され， 426 それぞれの ASIC は 36 チャンネルからの信号を増幅 427 し，ディジタル化して，インターフェースに送り出す。 428 したがって，この一枚の基板，180 × 180 mm2 , は 144 450 2012 年，浜松ホトニクス株式会社は 1 × 1 mm2 に 10,000 ピクセルを持つ PPD を開発した。ILC の重心 エネルギー 500 GeV における Bhaba 散乱の考察によ 451 り，１チャンネルの最大光子数を 15,000 - 20,000 光電 448 449 452 子と見積もっているので，10,000 ピクセルはゴールに 453 かなり近づいた物である。このような高エネルギー電磁 9 454 クラスターが物理的に重要な事象に影響する可能性は小 455 さいが，1 TeV へのアップグレードも視野に入れ，浜松 456 ホトニクスにはさらなるピクセル数を求めている。 457 7 ILD のハドロンカロリメータ 458 ILD-HCAL では 1 m の HCAL 厚に対して，48 層 459 分割，各層に 20 mm の鉄吸収層を使う。鉄は他の重金 460 属よりもハドロン相互作用長と放射長との比が小さく， 462 (λ1 /X0 = 9.5) ハドロンシャワー中で電磁相互作用する 成分の観測も適度に可能とする。 463 センサー層には二つのコンセプトがある。一つは ScE- 464 CAL と同様，プラスティックシンチレータを PPD で読 465 み出す。ただしシンチレータの形状は 30 × 30 × 3 mm3 466 タイルである。一方，分割度を 10 × 10 mm2 まで小さ 467 くし，この粒度のバイナリー情報からハドロンシャワー 468 の再構築するというディジタルハドロンカロリメータ 469 (DHCAL) のコンセプトがある。しかし，30 - 40 GeV 以 461 図 17: AHCAL プロトタイプの応答直線性 (左) と，エネル ギー分解能 (右). global SC ではクラスター全体のするエネ ルギー分布を使い，local SC ではセル毎のエネルギー密度に よりソフトウェア-補償を行った結果。 498 である。この技術には検出器が微細分割されていること 499 が重要であり，PFA のみならず，単粒子に対する性能 500 にとっても微細分割が大切となっている例である。 501 AHCAL と ScECAL の読み出し技術はほとんど共通 502 しており，2014 年の秋には，技術プロトタイプの共同 503 テストビーム実験を予定している。 504 参考文献 470 上の粒子エネルギーになると粒子数の飽和が避けられな 471 いため，ILD ではそのエネルギーサイズを 3 段階 (2 ビッ 472 ト) まで弁別する HCAL の研究をしている。この関係で 473 前者をアナログハドロンカロリメータ (AHCAL) 後者を 474 セミデジタルハドロンカロリメータ (SDHCAL) と呼ぶ。 475 また，ScECAL グループは 90 × 10 mm 2 のシンチレー 505 [1] どこにあるの？ 476 タ HCAL に SSA を用いると， 30 × 30 mm AHCAL で確立された技術をそのまま適用して 10 × 10 mm2 分 [2] たなべっち 477 478 割の Strip AHCAL を作ることができることに注目し，507 479 AHCAL のオプションとしてその開発研究を行ってい 480 る。ここでは AHCAL の開発状況を報告する。 2 506 508 [4] まーくとむそん 509 [5] K. Abe et al., Nucl. Instrum. Meth. A400, 287 510 481 7.1 AHCAL 511 482 AHCAL グループは 1 × 1 m2 × 38 層のプロトタイ 483 プを作成し，CERN と Fermilab でその基本性能を実証 484 した。図 17 左はプロトタイプの応答直線性を，右は π ± 513 485 に対するエネルギー分解能を示している。ハドロニック 514 486 シャワーのエネルギー分解能を高めることの難しさは， 487 その中でハドロン反応と電磁相互作用が同時におこり， 488 それらの反応で検出層に落とすエネルギー比に違いが 516 489 あり，さらにはその混合比の変動がイベント毎に揺らぐ 490 事から来る。AHCAL では電磁相互作用の場合にエネル 491 ギー密度が高くなることを利用して，セル毎にハドロン 492 反応らしさと電磁相互作用らしさを決めるか (LC)，も 493 しくはクラスター全体のセルエネルギーの分布により 494 (GC) 電磁相互作用率を決めて校正を行い，単純にエネ 495 ルギー和を取った場合に比べて，20% ほど良いエネル 512 515 496 497 ギー分解能を得ている。図 17 右に見られるように，その √ 場合のエネルギー分解能の統計項は 45% Ebeam (GeV) [3] ILD ほーむぺーじ 517 518 (1997). [6] CERN COURIER， http://cerncourier.com/cws/article/cern/29014 [7] RD51 Collaboration，http://rd51public.web.cern.ch/rd51-public/ [8] http://www.kek.jp/en/Research/AAT/DTP/MPGD/ [9] LCTPC collaboration，http://www.lctpc.org [10] ILC TPC R&D at Asia，http://www- hep.phys.saga-u.ac.jp/ILC-TPC/