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 QGP(Quark Gluon Plasma) 研究目的 実験セットアップ MRPC TRD 量子色力学（QCD）の特徴 クォークの閉じ込め 漸近的自由度 •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 3 RHIC-PHENIX √sNN=200GeV Au+Au LHC-ALICE √sNN=5500GeV Pb+Pb 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 4 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 Scintillation Counter TRD Trig MRPC for TOF PbGlass 6 坂田洞察 Gas を充填 荷電粒子 読み出しpad PCボード(絶縁) gap 電極(HV) 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 良い時間分解能 多数のギャップからの誘起電荷の重ね合わせ 検出効率の向上 Resolution[ps] 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 stack 6gaps ~60ps Double stack 5gaps ~50ps (左図の青線) Electric Field[kV/cm] 左図：Double stack 3gap(赤）/5gap(青）の時間分解能vs電場 引用 ALICE TOF Technical Design Report 9 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 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 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 () () 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 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 横山広樹 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 •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 16 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 TR-photonの効果が顕著 TR強度 αz 2 ℏω W= γ z:入射粒 3 : プラズ 遷 移 放 射 強 度 運動量 •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 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 17 •radiator部/drift chamber部 1.Radiator部でTR-photonが発生する。 2.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。 3.電子がanodeに向かいドリフトし、anode wireに吸収される。 4.3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 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 distance from CM vs. proportion of induced charge to sum of them. Full width of signal sharing in azimuthal direction is 3pads. Pulse height is defined as sum of three adjacent pad’s induced charges. 20 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 さまざまなパラメータを 21 取りだすことが可能 Drift Amplification Region Region 21 Mean pulse height Xe+CO2(85,15) time Anode voltage vs pulse height Drift Voltage -2100V Anode Voltage 1500V 1450V 1400V 1350V 1300V time Ar+CO2(85,15) Xe+CO2(85,15) Pulse height at Amp region Mean pulse height Ar+CO2(85,15) Gas gain by avalanche can be fitted by exponential function of anode voltage22 Anode voltage Mean pulse height Xe+CO2(85,15) time time Electric field vs Drift velocity Drift Velocity Mean pulse height Ar+CO2(85,15) Anode Voltage 1500V Drift Voltage -2100V -2000V -1900V -1800V -1700V Ar+CO2(85,15) Xe+CO2(85,15) Drift velocity for Ar gas is about three times larger than that for Xe gas 23 Electric Field of Drift region a/b is defined as sign of electron attachment. Attenuation of signal by electron attachment b 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 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 24 that electrons stay in the chamber. •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 time time •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 89m m(in Ar) 10m m(in Xe) Ar+CO2(85,15) Xe+CO2(85,15) Depth of detector from drift electrode(mm) Depth of TRD-prototype is 30mm. 95%(in Xe),28%(in Ar) TRphoton energy is absorbed. 26 time Pad number Calculate center time Data for fit Angle=20° angle 1pad(=8mm) resolution 0° 391±10μm 10° 605±28μm 20° 1071±22μm 30° 1614±45μm Measure difference between this point and fited line Resolution(angle 0°)is about 400μm 27 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. Arガス Xeガス 価格 50yen/L 2500yen/L ドリフト速度 ×3 ×1 減衰 ×1 約×3 吸収長 89mm 10mm 28 MRPC part 2cm 1mm 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 10cm 6cm 10*10cm ボード ガラスエポキシ Pad 銅箔フィルム 2*6cm ×3 10cm Double stack 5gaps 電極：カーボンフィルム Outer Glass : 1mm Inner Glass : 550μmm Gap 幅 : 250μm 30 MRPC START 40cm TOF = t t MRPC start Resolution of MRPC = TOF [ch] TOF分布(１ch=24ps) 2 2 Double stack 5gaps TOF ts t a r t Efficiency = 検出粒子数 入射粒子数 E=12.8kV/mm Sigma=3.87 31 上段：MRPCの電荷分布(10倍AMP後) 下段：MRPCのTOFvs電荷相関 ADC[ch] E=9.9[kV/mm] A=0° ADC[ch] E=12.8[kV/mm] A=0° ADC[ch] 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] TRD part Xe Ar 34 35 36 37 38 1 12 p E p2 m2 1 (electron ) 2000 (@ 1GeV /c) (pion ) 10 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 39
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