JPS 2005年秋季大会

ILC カロリメータの設計研究
日本物理学会 2005年秋季大会
2005/09/15
筑波大学山口佳博
ACFA-SIM-J グループ
GLD Calorimeter グループ他
目次
‫ﻪ‬
‫ﻪ‬
‫ﻪ‬
‫ﻪ‬
‫ﻪ‬
‫ﻪ‬
目的
カロリメータ構造
電磁カロリメータ性能
ハドロンカロリメータ性能
PFAによる分割依存性
デジタルカロリメータ
‫ ﻩ‬閾値依存性
‫ ﻪ‬まとめと今後
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目的
‫ ﻪ‬シミュレーションによって、カロリメータの
性能を研究するため、理想的なカロリ
メータ構造の実装、解析を行う。
‫ ﻪ‬デジタルカロリメータの性能を評価する。
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シミュレーションツール
データ解析
シミュレーションツール
SATELLITES
LEDA
JUPITER
JLC Unified
Particle Interaction
and
Tracking EmulatoR
IO
URANUS
Input/Output
module set Library Extention Unified Reconstruction
for
and
METIS
Data Analysis
ANalysis Utility
Set
Monte-Calro Exact hits To
Intermediate Simulated output
Geant4 based
Simulator
MC truth generator
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JSF/ROOT based
Framework
Event Reconstruction
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GLD 検出器
‫ ﻪ‬14m(幅)  14(高)
 13m(長)
‫ ﻪ‬総重量: 13,000 t
‫ ﻪ‬紫: バーテックス検出器
‫ ﻪ‬赤: タイムプロジェクション
チェンバー
‫ ﻪ‬緑: 電磁、ハドロンカロリ
メータ
‫ ﻪ‬灰: ソレノイド
‫ ﻪ‬青: ミューオン検出器
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カロリメータ構造
HDCAL 130 レイヤー: 6.1 0
EM + HD
‫ﻪ‬
シンチレーター
2mm
12cm
パラメータリスト
‫ﻩ‬
‫ﻩ‬
衝突点からバレルまでの
距離: 210cm
衝突点からエンドキャップ
までの距離: 270cm
鉛 8mm
EMCAL 38 レイヤー: 27 X0
シンチレーター
1mm
12cm
分割 33
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鉛 4mm
タワー
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カロリメータ
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磁場中での荷電粒子
1GeV
磁場 3T
10GeV
TPC
TPC
HDCAL
EMCAL
HDCAL
EMCAL
‫ ﻪ‬電子 1GeV では電磁カロリメータに入射する角度が磁場によ
り、非常に小さくなる。
‫ ﻪ‬電子 1GeV の電磁シャワーは電磁カロリメータの浅いレイ
ヤーで止まる。
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Energy Deposit [GeV]
電磁カロリメータ性能 (電子)
Linearity
Resolution
Deviation [%]
Energy [GeV]
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Deviation from Linearity
1GeVでは、電磁カロリメータにおいて
シャワーが浅いレイヤーで止まってしまう
為、線形性と分解能が悪くなる。
Energy [GeV]
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Deviation [%]
ハドロンカロリメータ性能 (パイオン)
QGSP, LHEP  Geant4 の
ハドロン相互作用モデル
Deviation from Linearity
‫ ﻪ‬低エネルギー領域で
は線形性からのずれ
が大きい。
Energy [GeV]
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ハドロンカロリメータ性能 (パイオン)
‫ﻪ‬
QGSP :
sto = 40.61.1 %
con = 7.10.3 %
‫ﻪ‬
LHEP :
sto = 38.01.2 %
con = 9.00.8 %
‫ﻪ‬
Cut Magnet : sto = 39.31.2 %
(QGSP)
con = 8.40.6 %
‫ﻪ‬
Front Cal :
(QGSP)
sto = 44.91.4 %
con = 4.30.4 %
‫ﻪ‬
Beam Test:
sto = 46.330.35 %
con = 0.90.4 %
Resolution
Beam test from NIMA 487 (2002) 291-307
Configuration is 8mm lead and 2mm scinti.
No EM Detector
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セルに入った粒子の割合 [%]
PFAによる分割依存性
‫ ﻪ‬ee  qqbar, s  300GeV
‫ ﻪ‬ここでは “セルに入った粒子
数” を、１セルに入った親粒子
の数と定義する。
親粒子 1個
親粒子 2個
セルに入った粒子数
‫ﻪ‬
‫ﻪ‬
‫ﻪ‬
青いセル: １粒子
赤いセル: ２粒子
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1cm1cm: １粒子 ~ 100 %
2cm2cm: １粒子 ~ 70 %
セルサイズが1cm 1cm と 2cm2cm とで粒
子数の割合が大きく違う。
 分割は 1cm1cm であることが望ましい。
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デジタルカロリメータ
‫ ﻪ‬細分割構造
‫ ﻩ‬ハドロンカロリメータ:
分割 1212, セルサイズ 0.92  1.4 cm
‫ ﻪ‬電磁カロリメータはアナログ読み出し、ハドロンカロ
リメータのみデジタル読み出し。
‫ ﻪ‬読み出しはヒットが有/無のデジタル。
‫ ﻪ‬ハドロン相互作用モデルは QGSP を用いる。
‫ ﻪ‬利点
‫ ﻩ‬カロリメータ内で飛跡の再構成
‫ ﻩ‬読み出しが容易
‫ ﻩ‬費用が安い
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イベントディスプレイ
‫ ﻪ‬パイオン 100GeV
HDCAL
HDCAL
TPC
TPC
EMCAL
EMCAL
セルサイズ = EM: 4cmx4cm,
HD: 12cmx12cm
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ピンク  電子
青色  ミューオン
黄色  光子
赤色  パイオン
緑色  陽子
紺色  中性子
セルサイズ EM, HD: 1cmx1cm
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変換係数
Etot  EEM  WNHD
 EEM  NHD2  NHD
Weight factor
NHit
‫ ﻪ‬入射粒子: パイオン
‫ ﻪ‬ヒットの有/無は、MIP単位で
決めた閾値を越えたかで定
義する。
W  Meananalog / Meandigital
 NHD  
HDCAL
10GeV
0.1 mip
5GeV
100GeV
Energy Deposit [GeV]
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NHit
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閾値依存性
10GeV
Resolution
Energy [GeV]
75GeV
‫ ﻪ‬高エネルギー領域で分解能が悪い。
‫ ﻪ‬分解能は閾値に依存しない。
Energy [GeV]
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まとめと今後
‫ ﻪ‬まとめ
‫ ﻩ‬シミュレーションを用いて ILC カロリメータの性能を解
析した。
‫ ﻩ‬電磁カロリメータ:   E  15.60.2   0.00.3 
‫ ﻩ‬ハドロンカロリメータは低エネルギー領域で線形性が
悪い。また分解能は 7 % 程度の定数項が出る。
‫ ﻩ‬PFAにおいて、ジェットを一つ一つ切り離すためにはセ
ルの分割は 1cm1cm が良い。
‫ ﻩ‬デジタルカロリメータではエネルギーの再構成がうまく
いっておらず、高エネルギー領域ではエネルギー分
解能が悪い。
‫ ﻪ‬今後
‫ ﻩ‬ハドロン相互作用モデルの詳細を調査する。
‫ ﻩ‬デジタルカロリメータで、分解能の向上を試みる。
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Back up
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Nhit
Nhit
Nhit vs. Energy Deposit
Energy deposit [GeV]
Nhit
Nhit
Energy deposit [GeV]
Energy deposit [GeV]
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Energy deposit [GeV]
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Analog and Digital
Analog
Digital(0.1mip)
10GeV
Energy deposit [GeV]
Nhit
75GeV
Energy deposit [GeV]
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Nhit
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Nhit
Nhit
NHit scatter plot
Energy deposit [GeV]
Nhit
Energy deposit [GeV]
Energy deposit [GeV]
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Energy deposit [GeV]
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Digital Total Energy (0.1mip)
5GeV
10GeV
25GeV
50GeV
75GeV
100GeV
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Energy deposit / cell
EMCAL
Energy Deposit / cell [MeV]
Energy Deposit / cell [MeV]
HDCAL
0.10013MeV
Neutron capture?
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Energy Deposit / cell [MeV]
Energy Deposit / cell [MeV]
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Tof [nsec]
Energy deposit vs. Tof
pi10GeV
1000event
QGSP
Energy /cell [MeV]
Energy [MeV]
Tof [nsec]
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Tof [nsec]
Energy [MeV]
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Energy Deposit
Energy Deposit / cell [MeV]
Energy Deposit / cell [MeV]
•
•
•
Energy deposit in HD CAL
10GeV single pi100 event
Energy Deposit / cell [MeV]
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Cut neutron exact hit (analog)
5GeV
10GeV
25GeV
50GeV
75GeV
100GeV
 E
 52.00.4   1.90.2 
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