2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of high granularity scintillator calorimeter technology for future electron-positron collider experiment
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17H02882
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
大谷 航 東京大学, 素粒子物理国際研究センター, 准教授 (30311335)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 電子陽電子コライダー / シンチレータカロリメータ / Particle Flow Algorithm / SiPM |
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| Outline of Annual Research Achievements |
次世代電子陽電子コライダー実験に向けて国際的な研究開発が進む高性能シンチレータカロリメータについて、その性能改善のため複数の光センサー(SiPM)を用いてシンチレーション光を読み出す多重SiPM読み出し技術を導入することが、本研究の目的の1つである。本年度はシンチレータストリップの両端にSiPMを搭載しその性能評価を行った。実機におけるチャンネル数の増加を避けるために2倍の長さのストリップを使用した。その結果、従来の単一センサー読み出しに比べて観測光量がおよそ2倍に増加、また優れたレスポンスの一様性があることが判明した。また2つのSiPMの同時計測によりノイズ事象を大幅に削減することで読み出しの閾値を大幅に下げることが可能となった。本技術導入に伴うストリップ長の増加は、実際の衝突実験で使用する際に出力の飽和やゴーストヒットなどによりカロリメータ性能の悪化につながってしまう可能性がある。この問題に関してシミュレーション研究を行い、現在検討している長さのストリップでは性能悪化は殆ど起こらないことがわかった。
また大規模なカロリメータ実機を製作する際に重要となる量産性に優れたシンチレータ製作にも取り組んだ。量産が容易な射出成形という製法を用いてシンチレータの試作を行い性能評価を行った。その結果シンチレータカロリメータに使用するために十分な発光量を持つことがわかった。今年度の試作は製作パラメータ1種類についてのみ行われたが、今後はさらなる発光量の改善を目指し、複数の試作を行うことで製作パラメータの最適化を行う予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の計画通り、多重SiPM読み出し手法の導入で光量やレスポンスの位置依存性などシンチレータストリップの性能が大きく改善することをプロトタイプを用いて実証することができた。さらに多重SiPMのコインシデンスを取ることでノイズ事象を大幅に軽減、ストリップシンチレータの動作閾値を大幅に下げられることを示した。
さらに、予定では二年目以降で取り組む予定であったシンチレータ材の性能改善の研究も開始し、既に十分な発光量を持つシンチレータ材の開発に成功している。
また、実機建設におけるコスト削減を目指し、カロリメータの精細度の最適化に関する研究も開始したが、これは本計画の当初予定には含まれていない研究項目である。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度で実証した多重SiPM読み出しの技術に加え、シンチレータカロリメータのさらなる性能向上を目指し、基本構成要素であるシンチレータ材、SiPMの性能改善に取り組む。また、コスト削減を考慮した精細度の最適化についてもさらに研究も進め、実機建設を可能にするシンチレータカロリメータ設計の確立を目指す。
シンチレータ材料の高性能化については、シンチレーション発光量、減衰長、発光時定数、製法、コスト等を考慮して材質を選定する。p-TerphenylやPOPOPといった発光物質の添加量を調整し発光量等の性能が最良となるパラメータを見いだす。コライダー測定器において量産性の高さは極めて重要であり、射出成形など量産に適した生産方法を用いて試作を行い、最善のシンチレータ製法を確立する。
カロリメータ精細度の最適化については、基準設計に比べて大きいピクセルサイズの検出層を部分的に導入する混合精細度の場合にカロリメータ性能がどの程度影響を受けるかシミュレーションを用いて検討する。大きいピクセルサイズは集光効率の観点から技術的にはより難しくなるため、シンチレーション集光のシミュレーション研究とプロトタイプ試験を併用して大型ピクセルの性能評価を行う。
これらの技術を統合したカロリメータ検出層のプロトタイプを製作し、性能評価試験を行う。本研究グループも参加しているカロリメータ国際研究グループCALICEコラボレーションが進めているハドロンカロリメータ大型技術プロトタイプに、本研究課題で開発したプロトタイプ検出層を組み込み、共同でテストビームによる性能評価試験を行う予定である。
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