66.1 HCAL ECAL ることである b ハドロン c ハドロンはそれぞれ 1.5ps 70 0.ps 程度の寿命を持つため 生成点 (一次崩壊点) から 71 数百 µm から数 mm 飛んだ後に崩壊する また 崩壊 7 は b c s のように起こるため b クォークジェット

■ 研究紹介

ILC

検出器

(

仮称

)

東北大学理学研究科物理学専攻

石 川 明 正

akimasa@epx.phys.tohoku.ac.jp

信州大学理学部物理学科

小 寺 克 茂

cottera@azusa.shinshu-u.ac.jp

九州大学理学研究院物理学部門

末 原 大 幹, 吉 岡 瑞 樹

suehara@phys.kyushu-u.ac.jp, yoshioka@phys.kyushu-u.ac.jp

Universit´e Libre de Bruxelles - IIHE

与 那 嶺 亮

ryo.yonamine@ulb.ac.be

2011年(平成23年) 10月1日

1

はじめに

1

国際リニアコライダー計画 (International Linear

Col-2

lider: ILC)の検出器詳細設計書 (Detailed Baseline

Doc-3 ument: DBD)[1]が加速器の技術設計書とともに 2012 4 年末に完成し，2013 年 6 月に公開された。ILC の物理 5 については前号の高エネルギーニュースに研究紹介記事 6 が掲載されているので [2]，本稿では ILC の検出器につ 7 いて解説する。2004 年にリニアコライダー加速器の基 8 本技術が超伝導加速空洞に決定されてから，ILC 計画は 9 急速に進展してきた。当時，検出器コンセプトは 4 つあ 10 り，2006 年には検出器骨子書，2007 年には検出器コン 11 セプト報告書が各検出器コンセプト検討チームにより作 12 成された。現在は ILD[3]，SiD という 2 つの検出器コ 13 ンセプトが提案されており，push-pull 方式で一つの衝 14 突点を共有する予定である。なお，ILD は 2007 年当時 15 アジア主導の GLD と欧州主導の LDC が統合したもの 16 である。SiD は一貫して北米主導のもとで検討を行って 17 いる。 18 ILCにおける検出器は，加速器の性能を最大限に発揮 19 するために従来の電子・陽電子コライダーで用いられて 20 いた検出器性能を大きく凌ぐ必要がある: 21 • W と Z の不変質量を分離できるだけの高いジェッ 22 トエネルギー分解能：σ/Ejet≤ 30%/ √ Ejet 23 • ジェットのフレーバーを高い効率で同定するための 24 優れた Impact Parameter 分解能： 25 σ≤ 5 ⊕ 10/pβ sin3/2θ (µm) 26 • 特にヒッグス反跳質量測定のために必要な荷電粒 27 子に対する高い運動量分解能：σ/p2t ≤ 5 × 10−5 28 (GeV/c)−1 29 ILD，SiD ともに上記性能を満たすために先進的なテク 30 ノロジーの高精細センサーを搭載した検出器となって 31 いる。日本グループは主に ILD 検出器コンセプトに関 32 する開発研究を行っているので，以下では ILD 検出器 33 についての詳細を述べる。ILD 検出器は円筒形の汎用 34 検出器になっている。図 1 に ILD 検出器の完成イメー 35 ジ図を示す。ILD 検出器の主要 3 検出器は，崩壊点検 36 出器 (VTX) として高精細かつ低物質量のピクセル検 37 出器，飛跡検出器として高分解能かつ低物質量の Time 38 Projection Chamber (TPC)，高精細センサーを備えた 39 サンプリングカロリメータ [電磁カロリメータ (ECAL) 40 とハドロンカロリメータ (HCAL)] が検討されている。 41 図 2 からこれら主要検出器の大まかな大きさと配置を把 42 握していただきたい。HCAL はここから 1 m の厚みで存 43 在し，その外に 3.5 T ソレノイド磁石，ミューオン検出 44 器兼リターンヨークがつづく。高いジェットエネルギー 45 分解能を達成するため，事象再構成には Particle Flow 46 Algorithm (PFA)[4]と呼ばれる手法を用いる。これは， 47 ジェット中の各粒子のエネルギーを，荷電粒子は飛跡検 48 出器で，中性粒子はカロリメータで「重複なく」測定す 49

図 1: ILD検出器の完成イメージ図。

1m

ECAL

HCAL

TPC

VTX

図 2: (color online)モンテカルロシミュレーションによるイ ベントディスプレイ。 るという方法であり，これによりジェットエネルギーの 50 大幅な向上が期待される。図 2 にはモンテカルロシミュ 51 レーションによるイベントが表示されている。荷電粒子 52 は PFA によりカロリメータ中のシャワーと飛跡検出器 53 のトラックが対応づけられ (図中の各色に対応)，この 54 場合はトラックの曲率からエネルギーが測定される。ト 55 ラックが対応しないシャワーのエネルギーはカロリメー 56 タで測定される。PFA において重要なことはジェット中 57 の各粒子の同定・分離であり，このために 3 次元的に高 58 精細な検出器が必須となる。以下の各節では崩壊点検出 59 器，飛跡検出器，カロリメータの主要 3 検出器の詳細に 60 ついて，日本グループの活動を交えて述べる。 61 なお，これらの組み合わせによる ILD 検出器の性能 62 は先に述べた条件を達成していることはシミュレーショ 63 ンで確認されている。 64

2

崩壊点検出器

65

2.1

崩壊点検出器の概要

66 ILC崩壊点検出器の主な目的は b クォーク，c クォーク 67 を識別し，軽い u,d,s クォークとグルーオンから分離す 68 ることである。b ハドロン，c ハドロンはそれぞれ 1.5ps， 69 0.4ps程度の寿命を持つため，生成点 (一次崩壊点) から 70 数百 µm から数 mm 飛んだ後に崩壊する。また，崩壊 71 は b→ c → s のように起こるため，b クォークジェット 72 は一次崩壊点，二次崩壊点 (b→ c)，三次崩壊点 (c → s) 73 の 3 つの崩壊点を持ち，c クォークジェットは 2 つの崩 74 壊点，u,d,s クォークジェットとグルーオンジェットは 1 75 つの崩壊点しか持たない。つまり，ジェット中の荷電粒 76 子の飛跡を精密に測定・外挿し，一次・二次・三次崩壊 77 点を検出できればクォーク識別が可能となる。特筆すべ 78 きは c クォーク識別はクリーンな環境のレプトンコライ 79 ダーでのみ可能であり，c クォークの湯川結合の測定を 80 可能にする。 81 クォーク識別をするために ILC 崩壊点検出器に要求 82 される主な性能は 1⃝位置分解能が 3µm 以下， 2⃝多重 83 クーロン散乱を抑えるために 1 レイヤーあたりの物質 84 量が 0.15X0 以下， 3⃝最内層の半径が 1.6cm， 4⃝占有 85 率が数%以下である。他の実験と比較し厳しい要求で 86 あるが，ILC 崩壊点検出器の放射線環境は 1kGy/year， 87 1011_{1eV n} eq/cm2/yearとハドロンコライダーと比較し 88 クリーンであるため，放射線耐性や占有率をそれほど気 89 にせずに検出器の分解能を上げることを開発項目にで 90 きる。 91 崩壊点検出器の構造を図 3 に示す。一見 3 レイヤーの 92 ように見えるが，2 レイヤーを一組としたダブレットが 93 3層あるため，計 6 レイヤーからなる。最内層の半径は 94 1.6cmであり| cos θ| < 0.96 をカバーし，最外層の半径 95 は 6.0cm であり| cos θ| < 0.90 をカバーする。 96 図 3: 崩壊点検出器の構造。

2.2

崩壊点検出器のセンサーテクノロジー

97 上記の要求を満たすべくピクセル崩壊点検出器の開 98 発が世界中で行われている。代表的なものはフランス 99 の MIMOSA/AROM (CMOS センサー)，ドイツが主 100

の DEPleted Field Effect Transistor (DEPFET)，アメ

101 リカの Chronopixel (CMOS センサー)，そして日本の 102 Fine Pixel CCD (FPCCD)である。すべてのテクノロ 103 ジーでセンサーと読み出しが一つのチップに統合され 104 たモノリシック型を採用しているため，ハイブリッド型 105 と比較し物質量を抑えることが可能で，1layer の厚さは 106 50µm程度である。 107 ILCは 1312(または 2625) の電子（もしくは陽電子） 108 バンチが 1ms のトレインを形成し，トレインが 5Hz で 109 衝突するビーム構造である。トレイン間の 199ms はビー 110 ム衝突が起こらない。このようなビーム構造で占有率を 111 十分小さい値に抑えるために 2 つの読み出し方法が考え 112 だされた。1 つ目は比較的大きなピクセルを用いるが， 113 ビーム衝突の 1ms の間に 10 回から 100 回程度データを 114 読み出し占有率を下げる方法で，MIMOSA/AROM や 115 DEPFETが採用している。2 つ目は非常に小さなピクセ 116 ルを用い，ビーム衝突中はヒットを格納しビームが衝突 117 しない 199ms にデータを転送する方法で，Chronopixel 118 や FPCCD が採用している。前者はトレイン間に読み 119 出し回路の電源をオフにする power pulsing を用い消費 120 電力を下げることが可能であり，後者は高 γ ファクター 121 の電子・陽電子ビーム起因の EMI ノイズが読み出し中 122 に乗らないという長所がある。 123

MIMOSA/AROMは Brookheaven の STAR 実験及

124

び CERN の ALICE 実験，DEPFET は KEK の Belle

125 II実験に採用され，また CCD は CERN の NA32 実験 126 や SLAC の SLD 実験 [5] で活躍した。 127

2.3

Fine Pixel CCD (FPCCD)

128 FPCCDは pixel サイズを 5µm 角 (3∼6layer は 10µm 129 角) と非常に細かくすることで，チャンネル数を増やし 130 占有率を低く抑え，さらに位置分解能 1µm 以下を達成 131 する。シミュレーションによると√s = 500GeV での最 132 内層の占有率は 1.2%と十分小さい。総チャンネル数は 133 約 109_{と膨大である。有感層の厚さは 15µm で全空乏} 134 化されており電荷の拡散を防ぐ。前述の SLD 実験に用 135 いられた CCD は 20µm 角であるので，ピクセルサイズ 136 は 16 倍も高精細である。現在までに 6µm 角の FPCCD 137 が開発されており，8µm まで動作確認をしている。図 138 4は小型プロトタイプチップで 4 つの領域にわかれてお 139 り，上から 12, 9.6, 8, 6µm 角のピクセルが搭載されて 140 いる。CCD であるので pixel ごとに読み出し回路は搭 141 載されておらず，CCD の横にのみ読み出し回路が搭載 142 されており，一つの読み出しチャンネルで 20000(横) × 143 128(縦) ピクセルを読み出す。トレイン中に得たヒット 144 情報をトレイン間にバケツリレーのように電荷を転送 145 していく事により読み出す。そのため高速な ADC が必 146 要となる。電荷の転送はピクセル内のポテンシャル井 147 戸を電圧をかけて制御し行う。放射線により 0.17eV と 148 0.42eVにトラップレベルが発生し電荷転送効率が悪化 149 することがわかっているため，-40 ℃まで冷やし電荷転 150 送効率の悪化を防ぐ。低物質量のクライオスタットは重 151 要な開発項目である。また，センサーの厚みは 50µm と 152 薄いため，低物質量で安定な支持構造の開発も行わなく 153 てはならない。 154 図 4: FPCCD小型プロトタイプチップ。

2.4

FPCCD

読み出し ASIC

155 読み出し ASIC に要求される性能は 1⃝データ読み出し 156 速度が 10M pixel/s 以上， 1⃝ノイズレベル 30 電子以下， 157 1 ⃝消費電力 6mW/ch である。消費電力を抑えるために 158 電荷再配分型の逐次比較 ADC を用い，また読み出し速 159 度を達成するために 5M pixel/s の ADC を 2 つ並列に 160 用いた。ノイズを抑えるためにローパスフィルターと相 161 関二重サンプリング回路を実装した。現在までに 3 回 162 のチップ試作を行なっており，三次試作は TSMC 社の 163 0.25µmプロセスを用いてすべての問題点をクリアした。 164

2.5

研究体制

165 FPCCDは KEK，JAXA，信州大学，東北大学が開 166 発を行なっている。日本の研究機関しか参加していない 167 が，メンバーにはインド人，スペイン人，ドイツ人がお 168 り (過去にはベネズエラ人もいた)，ILC が国際的であ 169 ることを実感する。今後はビームテストによる電荷の拡 170 散・位置分解能・検出効率の測定，6µm 角 CCD の動作 171 検証，5µm 角 CCD の開発を行ない，ILC 開始に向けて 172 センサー技術の完成を目指す。 173

3

中央飛跡検出器

174

3.1

TPC

の概要

175 ILD-TPCではアルゴンを主体とする混合ガスを用い 176 る。荷電粒子が通過すると，その飛跡に沿ってガスがイ 177 オン化され，その際に生じる電子 (以下，信号電子) を 178 ビーム軸に沿った z 方向にドリフトさせ，エンドキャッ 179 プ上 (x,y 面) の検出器で読み出し，この x, y 面に投影さ 180 れた飛跡を測定する。この情報と，ドリフト時間から得 181 られる z 情報とを合わせて飛跡の三次元再構成を行う。 182 TPCはこのドリフトの長さが特徴的であり，ILC-TPC 183 の場合，2 m におよぶ ! また，信号電子が微量であるた 184 め，読み出しの際にはガス増幅 (高電場をかけたガス中 185 での信号増幅) を必要とする。 186 TPCの主な利点は， 187 1. バレル部にフロントエンド読み出し回路 (以下，FE 188 回路) が不要で，物質量を大幅に低減できる。ガス 189 検出器の中でも，構造物が少なく物質量が小さい。 190 2. 一飛跡当たりの測定点が大きい (200 点以上)。堅牢 191 な飛跡再構成と dE/dx 測定による粒子識別を実現。 192 3. 信号収集のために TPC 内かける電場 (以下，ドリ 193 フト電場) と，運動量測定のための磁場がほぼ平行。 194 ドリフト中の信号電子の拡散が抑えられ，長距離ド 195 リフトでも高位置分解能 (100 µm 以下) が達成可 196 能。これは，ILD の運動量分解能目標を満たす。 197 一方で，長距離ドリフトさせると，電場や磁場の歪み 198 の影響を受けやすいという欠点もある。たとえば電場の 199 歪みは，TPC の構造的な精度だけでなく，イオンバッ 200 クフロー (以下，イオン BF) と呼ばれる，ガス増幅過程 201 で生じる無数のイオンがドリフト領域に逆流することに 202 よっても生じるので，しっかりとした対策が必要になる。 203

3.2

キーテクノロジー

204 MPGD 205 ワイヤーによるガス増幅機構 (MWPC) は，これまで 206 の素粒子実験において優れた実績をもつ。しかしながら， 207 ILD-TPCで MWPC 読み出しを用いると，3.5 T とい 208 う高磁場がかけられるため，ローレンツ力により信号電 209 子群が広げられる影響が大きく，位置分解能と飛跡分離 210 能を致命的に悪化させる。 211 一方で，微細構造をもったガス増幅機構 (MPGD)[6] 212 を用いると，ローレンツ力の影響を小さく抑えること 213 ができ，さらには，頑丈なサポートフレームが不要と 214 なるので，物質量 · 不感領域を減らすことができる。 215

MPGDの中でも，ILD-TPC では，GEM や Micromegas

216

(a)

(b)

(c)

(d)

図 5: ILD-TPC用に試作されたワイヤーゲート(a)と Sci-energy製GEM型ゲート全体(b)・拡大写真(c)，(d)は Fu-jikura製 試作GEM型ゲート拡大写真。 に 1×6 mm2_{程度の大きさの読み出し電極を組み合わせ} 217 る方法が有力である。また，アップグレードを見据えた 218 ピクセル読み出しの研究開発も行われている。 219 ゲート機構 220 イオン BF を防ぐために，ビームに合わせて電子やイ 221 オンの通過・遮蔽をコントロールする仕組みをゲートと 222 呼ぶ。すでにワイヤーを用いたゲート機構が確立され 223 ているが，ワイヤーを張るための頑丈なフレームが必要 224 で，不感領域が大きい。そのため，GEM の構造をもっ 225 たゲート機構に強く期待が寄せられている。この GEM 226 型ゲートの開発では，信号電子の透過効率を最大化す 227 ることが課題である。図 5 は，ILD-TPC 用の試作ワイ 228 ヤーゲートと GEM 型ゲートである。 229

3.3

研究体制

230 LCTPCコラボレーション 231 大型試験機 (以下，LP-TPC) の制作と，ビーム試験施 232 設 (DESY) の整備が国際協力 (LCTPC) のもとで進めら 233 れた [7]。LP-TPC の制作を通して，実機建設に向けた技 234 術の問題点を洗い出すこと，実機に即した測定環境を構 235 築することが目的である。読み出し検出器 (MPGD+読 236 み出し電極) は一式のモジュールとなっており，LP-TPC 237 では，様々な試験モジュールに組み替えることができる 238 (図 6)。隣り合うモジュール境界に生じる電場の歪みな 239 ど，より実機に即した性能評価が可能である。 240 モジュールに関して，日本を含むアジアグループ, ド 241

イツの DESY グループや Bonn 大学，フランスの Saclay

242

グループなどがそれぞれ異なる設計思想に基づき，試験

243

モジュールを制作し，性能評価を行っている。その他，

図 6: LP-TPCの内部(左)。奥に７つのダミーモジュール， 側面にはドリフト電場を形成するストリップが並ぶ。実際の ビームテストのイベントディスプレイ(右)。 図 7: 両脇のフレームがないGEMモジュール(左)と境界の 電場の歪みを調べるためのテストベンチ(右)。 フィールドケージ開発は DESY グループ, 軽量エンドプ 245 レート開発はアメリカの Cornell 大学, DAQ・FE 回路 246 開発はスウェーデンの Lund 大学，CERN，日本が中心 247 となって進めている。 248 日本グループの活動 249 これまでには，MPGD 読み出し TPC の位置分解能 250 公式の開発，TPC 性能のガス組成依存性に関する基礎 251 的研究, イオン BF による位置分解能への寄与の見積も 252 り, GEM 型ゲートに関するシミュレーションとハード 253 ウェア開発など，ILD-TPC 開発を支える基礎研究の中 254 心的役割を果たしている [8]。 255 日本グループが推進する検出器モジュールのコンセプ 256 トは，隣合うモジュールの境界に生じる不感領域を最小 257 化することである (図 7)。このコンセプトの実現には， 258 信号透過率の高い GEM 型ゲートの開発が鍵となる。 259 高密度化した FE 回路の冷却も重要な課題であり，低 260 消費電力化のための power pulsing や冷却構造の検討と 261 してシミュレーションを進めているほか，KEK 測定器 262 開発室の 2 相 CO2冷却システムを活かし，実機に即し 263 た試験ボードの作成，試験を行っている。 264 そして，非一様磁場中での飛跡再構成アルゴリズムな 265 ど，ソフトウェア開発の面でも重要な活躍をしている。 266

4

カロリメータ

267 カロリメータは PFA の性能を左右する最重要測定器 268 の一つであり，ILC のカロリメータは PFA の効率を最 269 大化するよう設計されている。PFA において，ジェット 270 エネルギー分解能は，カロリメータ自身のエネルギー分 271 解能に加え PFA によるジェット中の粒子分離能に左右 272 される (図 8)。粒子分離能を上げるにはカロリメータの 273 細分化が必要であり，そのため ILC のカロリメータは 274 横方向，縦方向とも微細に分割されたサンプリングカロ 275 リメータとなっている。 276 図 8: ILD検出器によるPFAを用いたジェットエネルギー分 解能[4]。Parfect pattern recognitionはカロリメータ自体の 分解能の寄与を示し，Quadrature differenceは粒子のマッチ ング失敗に起因する成分を示す。 カロリメータは電磁シャワーを測定する ECAL と主に 277 ハドロンシャワーを測定する HCAL およびビーム軸方 278 向をカバーする FCAL(本稿では触れない) に分かれる。 279 ECALは高密度かつコンパクトな電磁シャワーに対応す 280 るため微細分割が要求され，HCAL は長いハドロン相互 281 作用長のため大きな体積が必要とされる。ECAL には吸 282 収体としてタングステン，センサー部としてシリコンま 283 たはシンチレータとピクセル化光子検出器 (PPD) [9] を 284 用いたものを 30 レイヤー重ねたものが基本デザインと 285 なっている。吸収体は前方が薄く後方が厚い構造で，合計 286 24放射長となる。HCAL は 48 レイヤーの鉄の吸収体 (合 287 計 6 ハドロン相互作用長) と 1 cm または 3 cm 角のセン 288 サーより成る。センサーとしては，シンチレータと PPD 289 によるもの，ガス増幅によるもの (RPC，micromegas な 290 ど) が提案されている。 291 ILCカロリメータの開発，ビームテストは 17ヶ国 292 57 機関 (うち日本から 4 機関) が参加する CALICE 293

(Calorimeter for ILC)コラボレーション [10] により推

294

進されている。

4.1

シリコン ECAL

296 シリコン ECAL(SiECAL) は正方形のセルを並べたシ 297 リコンパッドを敷き詰めたものをセンサーレイヤーとす 298 るカロリメータで，現在パッドの厚みは 325 µm，セル 299 サイズは 5 × 5 mm2_{が基本デザインとなっている。30} 300 レイヤーの ECAL 全体では現在の ILD の大きさでは約 301 1億セルとなる。このような多数のチャンネルを持つカ 302 ロリメータは過去に例がなく，ILC 測定器の大きな特徴 303 である。 304 シリコンセルおよびパッドを図 9 に示す。シリコン 305 パッドは n 型半導体のバルク部分と p 型 (p+_{型) のセル} 306 部分およびインシュレータ，メタル電極から成っている。 307 セル部分とメタル電極は多数のピンで接続されている。 308 電極間には 120 V (現在の仕様) の逆バイアス電圧がか 309 けられ，全空乏化状態で運転する。セル間の不感領域は 310 10 µmとセルサイズの 5 mm に比べ十分小さい。セン 311 サーのリークカレントや静電容量の電圧依存性は仕様と 312 よく一致しており均一な性能が得られている [11]。 313 図 9: 左)シリコンセルの模式図。右)評価用5.5 mm角シリ コンパッド。 図 10 は SiECAL のレイヤー構造 (Slab) を示してい 314 る。SiECAL では 1 レイヤーのタングステン吸収体と 315 2 レイヤーのセンサー・エレクトロニクスをパッケー 316 ジ化したものを Slab とし，タングステン構造体 (兼吸 317 収体) の間に挟み込んでレイヤー構造を形成する。セン 318 サーのピクセル側は PCB と金属 Glue で接続されてい 319 る。PCB には SKIROC という ASIC が搭載されてい 320 る。SKIROC は ILC シリコンカロリメータのためにフ 321 ランスの OMEGA グループ [12] で開発されているもの 322 で，1 枚のチップで 64 チャンネルの読み出しを行うこ 323 とができる。SKIROC にはプリアンプ・高速シェーパー 324 (トリガ用) および 2 種類のゲインを持つ低速シェーパー， 325 ADCおよび 15 チャンネルのアナログメモリが含まれ 326 ており，1 トレイン (1 ms) 間に各チップで発生したト 327 リガとそれに対する各セルの ADC 値を保存し，トレイ 328 ン間 (199 ms) に読み出しを行う。電力は power pulsing 329 機構によりデータ収集・読み出しに必要な時間のみ供給 330 される。 331 我々は ILC と同様のレイヤー構造とエレクトロニク 332

スを備えた SiECAL technological prototype を製作し，

333 図 10: SiECALのレイヤー構造。 2012年，13 年に 10 パッド分のセンサーおよび回路を用 334 いて DESY にてビームテストを行い (図 11)，電子のト 335 ラックや MIP 信号を収集することに成功した。power 336 pulsing運転の実証も行った。今後 ASIC や PCB の改良 337 を行った後，より大規模な試験を行う。 338

図 11: DESYにてビームテストが行われたSiECAL techno-logical prototype。 SiECAL自体の性能については，2007 年および 2008 339 年に 30 レイヤー (フルレイヤー) を用いたビームテスト 340 を CERN および Fermilab で行った。本ビームテストは 341 1 cm× 1 cm のセルサイズかつ変換・読み出し回路はレ 342 イヤーの外にある physics prototype を用いて行われた。 343 本プロトタイプはパッド間のギャップが大きい構造だが， 344 ギャップ部分を除いた性能としては，6-45GeV の電子 345 ビームに対して (16.53± 0.14 ± 0.50)%/(√E[GeV] ) + 346 (1.07± 0.07 ± 0.10)%，(誤差の第一項は統計誤差，第二 347 項は系統誤差，以下同じ), 4-20 GeV の陽電子ビームに 348 対して (16.67± 0.30 ± 0.44)%/(√E[GeV] ) + (1.75± 349 0.24± 0.39)% (preliminary) のエネルギー分解能が得ら 350 れた [13]。 351 ILDのためのシリコン ECAL の開発はフランスの 352 LLR，LAL 等，九州大学，東京大学により進められて 353 いる。日本グループは特にビームテストの解析やシミュ 354 レーションによる最適化，シリコンセンサーの基礎特性 355 解析で貢献しており，今後 DAQ や構造の最適化につい 356 ても研究を進めていく予定である。 357

4.2

シンチレータ ECAL (ScECAL)

358 ScECALでは， 45× 5 mm2_{の小さな短冊形プラステ} 359 ィックシンチレータを層毎に直行させて配置する。各シ 360 ンチレータの発光を現行 2.45 × 1.9 × 0.85 mm3_のパッ 361 ケージに封入された 1 × 1 mm 有感面積の PPD で読み 362 出す。利点は, 1) チャンネル数を一桁減らすことができ 363 る，2) プラスティックシンチレータの柔軟性が，温度変 364 化，移動時の工学耐性に富んだ検出器の作成を可能とす 365 る，3) 時間分解能が∼ 1 ns，4) 磁場の影響を受けない， 366 などである。図 12 左) に，一枚のタングステン吸収層を 367 挟んだ２枚の検出層と，右) にシンチレータと PPD の 368 一例を示す。全体の構造は SiECAL とほぼ同じである。 369 図 12: 左) ScECAL二層。右)シンチレータとPPD。 370 4.2.1 基本性能 371 ScECALの特徴は，短冊形シンチレータを用いてそ 372 の幅相当の正方分割度を引き出すことであり，strip 373

splitting algorithm (SSA) と呼ばれる方法をすでに

374 確立している [15]。この方法を PFA アルゴリズムと 375 併用した場合の 100 GeV ジェットのエネルギー分 376 解能を短冊セル長の関数として図 13 左に示す。セ 377 ル幅を 5 mm 厚さを 1 mm に固定してのシミュレー 378 ション 結 果 で あ る ．セ ル 長 を 60 mm に 伸 ば し て 379 も，ジェットエネルギー分解能は良く保たれている。 380 また，図 13 右は 45× 5 mm2_{や正方セル ScECAL の，} 381 45 GeV - 250 GeV ジェットのエネルギー分解能であ 382 り，SSA を使った場合の 45× 5 mm2ScECALは，同 383 じセル面積を持つ 15 × 15 mm2 _{の場合より明らかに} 384 よく，5× 5 mm2ScECALからの劣化はわずか 0.2% で 385 ある。さらに，短冊層を一層毎に 10 × 10 mm2_の正方 386 セルに置き換えた場合，ジェットエネルギー分解能は 387 5× 5 mm2ScECALの場合とほとんど遜色がなくなる。 388 単 粒 子 に 対 す る エ ネ ル ギ ー 分 解 能 に つ い て は 389 180× 180 mm2, 30層，合計 2160 の 45× 10 × 3 mm 390 セル各々を PPD (1 mm2_{に 1600 ピクセル) で読み出} 391 すプロトタイプを作成し，Fermilab で 2 - 32 GeV の 392 電 子 ビ ー ム に 対 す る 性 能 試 験 を 行った 。統 計 項 が 393 Length of strip (mm) 0 20 40 60 80 100 RMS90/E (%) 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

ScECAL w/o SSA ScECAL w/ SSA

(GeV)

du

Energy of One Jet 0 50 100 150 200 250 300 RMS90/E (%) 3 3.5 4 5 w/o SSA × 45 15 × 15 SSA o 5 w/ × 45 SSA o w/ 10 alt 5 × Sc 5 5 × Si 5 図 13: SSAを使った場合と使っていない場合のジェットエネ ルギー分解能のシンチレータ長さ依存性,左)と，各種シンチ レータ形状によるジェットのエネルギー分解能,右). (12.8±0.1(stat.)±0.4(syst.))/√E(GeV)，定 数 項 が 394 (1.0± 0.1(stat.)+0.5_−1.0(syst.) )% であり，期待通りの性 395 能を示した。また，直線性も良く，直線フィットからの 396 最大のずれは 1.6 ± 0.7%である [14]。 397 4.2.2 ILDへの実装に向けたプロトタイプ 398 センサーの読み出しからデジタル化までの機能を一 399 ボードにおさめて層間に埋め込む設計は，ScECAL に 400 とっても必須である。2013 年にはこのために開発した 401 基板２層のプロトタイプについてビームテストを行った。 402 図 14 左) は一層の基板と，基板をコントロールするイ 403 ンターフェース群の写真である。180 × 180 mm2_のこ 404

の基板には４個の ASIC (SPIROC2, Omega) が搭載さ

405 れ，それぞれの ASIC は 36 チャンネルからの信号を増 406 幅し，ディジタル化して，インターフェースに送り出す。 407 この基板の裏に並ぶ 144 のシンチレータは各々が反射 408 フィルムで覆われており，それによって適度な光量と光 409 量の位置一様性，光クロストークの抑制を保っている。 410 図 14 右は 3 GeV の電子ビームに対する SSA による 図 14: 4つのASICを搭載した基板,左)と，5× 5 mm2_分 割された3 GeV電子シャワー断面のエネルギー分布,右). 411 5× 5 mm2 _{細分割の様子である。} 412 4.2.3 ScECAL 今後の展望 413 現在の PPD は各層に垂直配置され，その厚みが幅 414 ∼ 0.9 mm ラインのデッドスペースをつくる。これを無く 415

すために，PPD をシンチレータの下面に装着するデザイ 416 ンを最近考案し，実験室ではその性能を確認した。2012 417 年，浜松ホトニクス株式会社は 1× 1 mm2_{に 10,000 ピ} 418 クセルを持つ PPD を開発し，PPD 特有の飽和現象を解 419 決に近づけた。今後の一年間はこのような最近の発展を 420 含む詳細なデザインの最適化を行い，その後マスプロダ 421 クションの研究に入る段階である。 422

4.3

ILD

のハドロンカロリメータ

423 ILD-HCALでは 1 m の HCAL 厚に対して，48 層分割， 424 各層に 20 mm の鉄吸収層を使う。鉄は他の重金属よりも 425 ハドロン相互作用長と放射長との比が小さく，(λ1/X0= 426 9.5)ハドロンシャワー中で電磁相互作用する成分の観測 427 も適度に可能とする。 428 センサー層には二つのコンセプトがある。一つは ScE-429 CALと同様，プラスティックシンチレータを PPD で読 430 み出す。ただしシンチレータの形状は 30× 30 × 3 mm3 431 タイルである。一方，ガス検出器を用いて分割度を 432 10× 10 mm2 _{まで小さくし，この粒度のバイナリー情} 433 報からハドロンシャワーを再構築するというディジタル 434 ハドロンカロリメータ (DHCAL) のコンセプトがある。 435 しかし，30 - 40 GeV 以上の粒子エネルギーになると 436 粒子数の飽和が避けられないため，そのエネルギーサ 437 イズを 3 段階 (2 ビット) まで弁別する HCAL が ILD-438 HCALのもう一方の候補である。前者をアナログハド 439 ロンカロリメータ (AHCAL) [16] 後者をセミデジタル 440 ハドロンカロリメータ (SDHCAL) [17] と呼ぶ。また， 441 30× 30 mm2_{と同面積の 90 × 10 mm}2_{のシンチレータ} 442

と SSA による 10 × 10 mm2_{分割の Strip AHCAL の研}

443 究も始まっている．ここでは AHCAL の開発状況のみを 444 報告する。 445

4.4

AHCAL

446 AHCALグループは 1 × 1 m2× 38 層のプロトタイ 447 プを作成し，CERN と Fermilab でその基本性能を実 448 証した。ハドロンシャワーのエネルギー分解能を高める 449 ことの難しさは，その中でハドロン反応と電磁相互作用 450 が同時におこり，それらの反応で検出層に落とすエネル 451 ギー比に違いがあり，さらにはその混合比の変動がイベ 452 ント毎に揺らぐ事から来る。AHCAL では電磁相互作用 453 の場合にエネルギー密度が高くなることを利用して，セ 454 ル毎にハドロン反応らしさと電磁相互作用らしさを決め 455 るか，もしくはクラスター全体のセルエネルギーの分布 456 により 電磁相互作用率を決めて校正を行い，単純にエ 457 ネルギー和を取った場合に比べて，20% ほど良いエネル 458 ギー分解能 45%√Ebeam(GeV)(π±, 10 - 80 GeV) を得 459 ている [18]。この技術には検出器が微細分割されている 460 ことが重要であり，PFA のみならず，単粒子に対する 461 性能にとっても微細分割が大切となっている例である。 462 AHCALと ScECAL の読み出し技術はほとんど共通 463 しており，2014 年の秋には，AHCAL 30 層，ScECAL 464 4層のプロトタイプによる共同テストビーム実験を予定 465 している。 466

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