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

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

•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

3

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

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

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

Scintillation CounterTRD MRPC PbGlass

Trig for TOF

坂田洞察

荷電粒子

10kV以上の高電圧をかける

読み出し pad

PCボード ( 絶縁 )

電極 (HV)

Outer glass

Inner glass

異符号の信号

Gas を充填

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

gap

9

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 ~60psDouble 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　 ALICE TOF Technical Design ReportElectric

Field[kV/cm]

Reso

luti

on

[ps]

10

Single stack 4, 6, 8 gap(3 types)Double stack 5 *2 gap(1 type)

Gap 幅 　　 235μmGas mixture C2H2F4(R134a) 90% C4H10(iso-butane) 5% SF6 　　　 5%

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

・印加電圧依存性 :10-13[kV/mm]

・入射角依存性 :0-90[度 ]

回転軸

11

固有時間分解能Single stack 6gaps 87ps±7 @ 12.1kV/mmDouble stack 5gaps 74ps±6 @ 11.3kV/mm

Good Efficiency 12kV/mm~

12

Double stack 5gapE field 11.3kV/mm

( )

回転軸

f(x) = a +b*cos(x)

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

通過距離によって落とす電荷は変化する

13

( )

Double stack 5gapE 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

14

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

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

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

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•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

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

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

運動量

遷移放射強度

TR-photonの効果が顕著 W= αz2ℏω3 γ

TR強度

17

プラズマ振動数入射粒子の電荷:

:

z

18

•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。

18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

FADCによる読み出し

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.

20Pulse height is defined as sum of three adjacent pad’s induced charges.

21

21

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

時間

波高

時間

平均波高ドリフト時間

増幅領域での波高

さまざまなパラメータを取りだすことが可

能

Xe+CO2(85,15)ガスのラディエータあり /なしの平均

波高

Drift RegionAmplification

Region

TR-photon

青：without radiator

赤：with radiatorすべてのイベントにおいて平均をと

る

2222

Ar+CO2(85,15)

Xe+CO2(85,15)

Drift Voltage-2100V

Anode Voltage1500V1450V1400V1350V1300V

Gas gain by avalanche can be fitted by

exponential function of anode voltage

Puls

e h

eig

ht

at

Am

p r

eg

ion

Mean p

uls

e

heig

ht

time time

Anode voltage

Anode voltage vs pulse height

Ar+CO2(85,15)Xe+CO2(85,15)

Mean p

uls

e

heig

ht

2323

Anode Voltage1500V

Drift Voltage-2100V-2000V-1900V-1800V-1700V

Drift velocity for Ar gas is about three times larger than that for Xe gas

Dri

ft

Velo

city

Electric Field of Drift region

Electric field vs Drift velocity

Ar+CO2(85,15)Xe+CO2(85,15)

time time

Ar+CO2(85,15)

Xe+CO2(85,15)

Mean p

uls

e

heig

ht

Mean p

uls

e

heig

ht

24The attenuation of signal by H2O or oxygen depends on

time that electrons stay in the chamber.

Attenuation of signal by electron attachment

a/b is defined as sign of electron

attachment.

a

b

Stay time of electron

a/b

Ar+CO2(85,15)Xe+CO2(85,15)

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。

25

Anode Voltage1500V

Drift Voltage-2100V

With RadiatorWithout Radiator

before after

before after

25

•Correct time distribution to be flat shape in the drift region

time

time time

time

Ar+CO2(85,15)

Xe+CO2(85,15)

TR-photon attachment

Depth of detector from drift electrode(mm)

Ar+CO2(85,15)Xe+CO2(85,15)

2626

Depth of TRD-prototype is 30mm.95%(in Xe),28%(in Ar) TR-photon energy is absorbed.

•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.

absorption length

€

λ =89mm(in Ar)

10mm(in Xe)

⎧ ⎨ ⎩

⎫ ⎬ ⎭

27

Data for fit

Calculate center

1pad(=8mm)

Resolution(angle 0°)is about 400μm 27

Pad number

Measure difference between this point and

fited line

Angle=20°

angle resolution

0° 391±10μm

10° 605±28μm

20° 1071±22μm

30° 1614±45μm

time time

Pad

num

ber

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.

28

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

MRPC part

30

10*10cm ボード　　ガラスエポキシ Pad　　　銅箔フィルム　　　 2*6cm ×3

10cm

10cm

1mm2cm

6cm

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

電極：カーボンフィルムOuter Glass : 1mmInner Glass : 550μmmGap 幅 : 250μm

Double stack 5gaps

31

22

starttTOF

入射粒子数検出粒子数

startMRPC tt TOF [ch]

TOF分布 ( １ ch=24ps)Double stack 5gapsE=12.8kV/mmSigma=3.87

MRPC START

40cm

Efficiency =

Resolution of MRPC =

TOF =

ADC[ch] ADC[ch] 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

上段：MRPCの電荷分布 (10倍 AMP後 )下段：MRPCの TOFvs電荷相関

TRD part

34

XeAr

35

36

37

38

)(10

)(2000)/1(@

1

11

22

2

pion

electroncGeV

mp

Ep

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