読み出し機構の違いによる読み出し機構の違いによるTPCTPC 性能の比較性能の比較

広大 VBL ，高エ研 A ，筑波大 B ，農工大工 C ，工学院大 D ，　　近大 E ，佐賀大理工 F ， MSUG ， D

ESYH ， MPII ， SaclayJ ， OrsayK ， CarletonL

黒岩洋敏，藤井恵介 A ，小林誠 A ，松田武 A ，山口敦史 B ，　　　　　仁藤修 C ，土生昌宏 C ，中

村圭一 C ，渡部隆史 D ，加藤幸弘 E ，杉山晃 F ，荒木智之 F ， H.C.J.GoocG ， R.L.ReservaG ， D.C.AroganciaG ，池松克昌 H ， R.SettlesI ， P.ColasJ ，V.LepeltierK ， T.ZerguerrasK ， M.DixitL ， K.Boudj

emlineL

IntroductionSensorsBeam TestResultsSummary

14aSE-1, 日本物理学会 , Sep. 12 ～ 15, 2005 大阪市立大学（杉本キャンパス）

IntroductionIntroduction

LC 飛跡検出器への要求性能

LCLC 飛跡検出器への要求性能飛跡検出器への要求性能 ヒッグス粒子の探索法

①反跳質量法による測定　　 e+e- 　　 HZ 　　 bb l+l-　　　 Z ( レプトン対 ) のエネルギーや運動量から H

の質量を保存則より計算　　レプトン対の運動量を高精度で測定することが必

要　　　　　　飛跡検出器に対する要請　　 50GeV の粒子に対して　　 0.4% の運動量分解能

　　位置分解能 (σx) は 150μm が必要

l+

l-

σpT 　　 ασx 　　 720 　　　　 αC 　 10 　 X pT 　　　 BL2 　　 n+4 　　　　 BL　 7 X0

pT2

+

2

≅2

α = 333.56 (cm ･ T ･ GeV-1)C = 0.0141 (GeV)B = 3 ～ 4 (T) : 磁場n = 200 ～ 250 : 測定点の数L = 155 (cm) : 飛跡の長さ

LCLC 飛跡検出器への要求性能飛跡検出器への要求性能 ヒッグス粒子の探索法

② 不変質量法による測定

　　 e+e- 　　 HZ 　　 bbνν 　　　　　 e+e- 　　 HZ　　 bb qq

H の崩壊による b ジェット対の全四元運動量から H の質量を保存則より計算 b

b

ジェット中では多数の荷電粒子が狭い領域に飛跡を残すため、これらを分離することが必要

荷電粒子の飛跡とカロリーメーターのクラスターを一対一対応させ、エネルギーを重複して数えないようにする

z( ビーム軸 )方向の位置分解能 1mm以下

近接二粒子飛跡の分離性能 数 mm程度

飛跡検出器に対する要請

本実験の目的本実験の目的 飛跡検出器として TPC を採用　　 TPC sensor：MWPC 、 GEM 、 Micromega

s

読み出し機構の違いによる性能の比較　　 Beam test

同じ Field Cage 、 Electronics 、解析

SensorsSensors

MWPCGEM

Micromegas

MWPCMWPC Multi Wire Proportional Chamber

– 直径 30μm のアノードワイヤー（ 2mm pitch）で増幅

– パッド上に電荷を誘起– Wire-Pad間距離： 1mm

セクター境界による不感領域陽イオンフィードバックE×B effect1cm以下の近接飛跡分離が困難

GEMGEM Gas Electron Multiplier

– 絶縁体の両面に銅膜を貼付– 銅膜間で増幅（∼ 102 ）⇒ 3段使用

GEM の利点– 位置分解能、近接飛跡分離能の改善– セクター境界に起因する不感領域の削減– 陽イオンフィードバックの軽減– E×B effect の軽減

銅膜

MicromegasMicromegas Micro Mesh Gaseous Structure

– 50μm 　 pitch– 50 ～ 100μm の pillar で支持– Mesh-Pad間で増幅（∼ 104 ）⇒ 1段

Micromegas の利点– セクター境界に起因する不感領域の削減– 位置分解能、近接飛跡分離能の改善– 陽イオンフィードバックの軽減– E×B effect の軽減

50μm

S1

S2

Beam TestBeam Test

SetupPrototype TPC

MWPC : Jun. 2004GEM : Apr. 2005Micromegas : Jun. 2005

SetupSetup KEK-PS π2 beam line

– 4GeV π-

Super conducting magnet (JACEE)– B = 0, 0.5 and 1T

Readout– ALEPH TPC electronics amplifiers（ 16 channels each） 500ns shaping time charge sensitive TPD（ FASTBUS module） sampled every 80 ns and digitized

Prototype TPCPrototype TPC 最大ドリフト距離： 26 cm

– 10×10×26 cm3

読み出しパッド– 32 pads×12 pad rows– 2×6 mm 、 0.3 mm gap⇒ MWPC 、 Micromegas

– 1.17×6 mm 、 0.1 mm gap⇒ GEM

チェンバーガス– Ar + CH4 + CO2 (93:5:2)： TDR⇒ MWPC

– TDR 、 Ar + CH4 (95:5)： P5⇒ GEM

– Ar + isoC4H10 (95:5) ⇒ Micromegas

ResultsResults

Charge WidthX ResolutionZ Resolution

Charge Width (Pad Response)Charge Width (Pad Response)あるパッド上の normalized charge (NQi = Qi/∑Q) を (Xpad - Xtrack) の関数としてプロット

anode Z →

cathode

Charge width for different drift regions (Micromegas、 B = 0T)(Ar+iC4H10 、 2mm pad)

3 点重心法でhit 点を決定

Width of PR as a function of ZWidth of PR as a function of Z GEM (1T) & Micromegas (0 、 0.5 、 1T)σPR

2 = σPR(0)2 + CD2 .z

　 σσPRPR(0) : width @ 0 drift [μm](0) : width @ 0 drift [μm]　　 MWPC : 1390 (2mm pad)　　 GEM : 453 (1mm pad)　　 Micormegas : 781 (2mm pad)　 CCDD : diffusion constant : diffusion constant　　　　　　　　　　 [μm/sqrt(cm)] @ 1T[μm/sqrt(cm)] @ 1T　　 MWPC : 220 (TDR)　　 GEM : 206 (TDR)　　 Micromegas : 198 (Ar+iC4H10)　　 Magboltz Sim. : 180 (TDR)

　 193 (Ar+iC4H10)

1.2mm/sqrt(12) = 367μm2.3mm/sqrt(12) = 664μm

X Resolution as a function of ZX Resolution as a function of Z MWPC & GEM (TDR) 、 Micromegas (Ar + iC4H

10)– B = 1T 　　　　　　　　　　　　　　 B = 0.5 、

1T

MWPC GEM Micromegas

σ0 233μm 81±5μm 134±76μm

Nef

f

24 30 32

effx N

zCd

22

02

σ0 : resolution w/o diffusionCd : diffusion constant Neff : effective number of electrons

Z Resolution as a function of ZZ Resolution as a function of Z

MWPC & GEM (TDR) 、 Micromegas (Ar + iC4H

10)– B = 1T

– σz < 1mm （ 26 cm drift ）– Track-Cluster matching には問題なし

SummarySummary LC-TPC開発のため prototype TPC beam test

– MWPC 、 GEM 、 Micromegas

– GEM 、 Micromegas は近接飛跡分離において有利– σx MWPC： E×B effect による悪化がみられる

GEM 、 Micromegas では同様の結果Micromegas : 1mm pad での測定

　　　 resistive foil の使用が必要– σz < 1mm (26 cm drift 、 1T)

MWPC GEM Micromegas

σPR(0) 1390μm

453μm 781μm

σ0 233μm 81±5μm 134±76μm

σx @ 26cm drift (1T)

360μm 200μm 220μm

⇒ Oct. 2005　　 KEK-PS でビームテスト

1.2mm/sqrt(12) = 367μm2.3mm/sqrt(12) = 664μm

Charge Width (Pad Response)Charge Width (Pad Response) MWPC & GEM

– 1T、 TDR gas

X Resolution (How to Fit?)X Resolution (How to Fit?)

σ0 : resolution w/o diffusionCd : diffusion constant Neff : effective number of electrons

effx N

zCd

22

02

Diffusion

Other1- fix Cd from PRF

2- fit σx = f(z) with σ0 and Neff free

3- Plot Magboltz curve with :σ0 obtained from the fit (2)Cd is known Neff from (2)