ATLAS 実験 宇宙線テストにおけるシリコン飛跡検出器の検出効率の評価

筑波大学 数理物質科学研究科永井 義一

原和彦，井上孝紀，美馬覚 A ，田中礼三郎 A ，内藤大輔 A ，近藤敬比古 B ，海野義信 B ，

池上陽一 B ，高力孝 B ，寺田進 B ，高嶋隆一C ，

山下良樹 C ，上田郁夫 D ，花垣和則 E ，他アトラス SCT グループ

筑波大物理，岡山大自然 A ，高エ研 B ，京都教育大 C ，東大素 D ，阪大 E

2007 年 3 月 27 日　日本物理学会＠首都大学東京

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目次 序論

• ATLAS 検出器• SCT バレルシリコン検出器• 宇宙線テストの概要

SCT バレルシリコン検出器の性能評価• 宇宙線イベントの再構成• SCT 検出器の位置補正• SCT 検出器の検出効率

結論と今後の予定

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ATLAS 検出器 (A Toroidal LHC ApparatuS)

重量 : 7000 トン

飛跡検出器 :

カロリメータ :

2.5

4.9

μ 粒子検出器

内部飛跡検出器

　　　カロリメータ

マグネットシステム

•　内部飛跡検出器 Pixel : シリコンピクセル検出器

SCT : シリコンマイクロストリップ検出器

TRT : 遷移輻射ストローチューブチェンバー•　カロリメータ•　 μ 粒子検出器•　マグネットシステム

ln tan2

4

SCT バレルシリコン検出器SCT バレルモジュールの特徴　 2 次元的な位置測定

　　シリコンセンサー（ 6cm×6cm ）を表裏 2枚ずつ、ステレオ角 40mrad で張り合わせることにより、単独モジュールで 2 次元的な位置測定が可能　位置分解能

　　ストリップ間隔は 80μm 、 SCT モジュール片面での位置分解能は 23μm

768 strips

SCT バレルシリコン検出器

シリンダー 4 層、 SCT バレルモジュール2112 枚から構成される。

40mrad

5

宇宙線テスト概要目的•　 SCT および TRT 検出器のオペレーションテスト

　 SCT+TRT 検出器を同時に扱う•　 SCT および TRT 検出器の性能評価

　ノイズテスト、検出効率評価　等

S3

S2

S1

TRT

SCT

trigger: 1 2S Sシンチレータ

144 cm

40 cm

PMT PMT

6

宇宙線テスト概要

データ収集システム

DAQ PC

7

SCT モジュール数 ： 468(Top=252, Bottom=216)(B3,B4,B5,B6) = (84/108/144/132)

No magnetic field12 modules

宇宙線テスト概要

宇宙線トリガーイベント数 ： 約132k

Layer 1 / Barrel B4

Top

Bottom

Outer

Inner

y

Layer 0 / Barrel B3

Layer 3 / Barrel B6

Layer 2 / Barrel B5

R‐ 平面

Z-Y 平面

8

ヒットの再構成

ヒット位置とクラスターの構成

各クラスターに属するストリップ数

95%

1 2

strip fired

strip pitch

= 80 mSpace point definition

40mrad

1 module

Space Point の構成

8 Space Point

宇宙線トリガーごとの Space Point 数

閾値 1.0fc

9

トラックの再構成• Space Point からトラックの候補を探す（パターン認識）

Space Point を R‐ 平平平平平 Z‐Y 平面において直線フィットし、 ndf でのカットをかけてトラックの候補を選別する。

2 つのトラックが同じ Space Point を共有する場合、 ndf が小さいトラックに属させる。

• トラック候補をクラスターを用いて再フィットする（トラックフィット）

宇宙線トリガーごとのトラック数

track candidate

Space Point

track

クラスター

パターン認識 トラックフィット

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SCT 検出器の位置補正

2 1( , ) ( , )T

i i i i ii tracks

r a V r a

ur r ur ur r ur

2 ( )0

d a

da

rr

r

0

22 2

0

( )( ) ( )

a a

d aa a a

da

ur uur

rr uur r

r

1

1 10

0 0 0

( ) ( ) ( )( )

T

i i ii i i

tracks tracks

dr a dr a dr aa V V r a

da da da

ur r ur r ur r

r ur uuruur uur uur

•　 SCT モジュールの内部精度は数 m の精度であり、内部位置補正は必要ない。•　 SCT モジュールの位置分解能は 23m であり、シリンダーへの取り付け精度は 50-100m 程度であるために、位置補正を行う。検出器のずれの自由度は 6 である。（ x ,y ,z の平行移動 および オイラー角）→468×6 ＝ 2808 自由度のパラメータを最適化する必要がある。

r : 残差ベクトル　 a : 位置補正パラメータ

: トラックパラメータ　 V : 残差の共分散行列

2808 個の連立方程式

ar

： 位置補正定数

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SCT 検出器の位置補正以下の方法でトラックの残差を求め、位置補正の効果を評価する

　トラックが /ndf ＜ ３ を満たす　トラックに伴うクラスターが１０以上存在する　残差を求めるモジュールのクラスターをトラックから除外し、再度フィットする　 SCT モジュール面でのトラックとクラスターの距離を残差とする

トラックの /ndf 分布

2/ndf ＝ ３

cluster position

track hit position

残差remove track hit

cluster

track

12

SCT 検出器の位置補正

位置補正前 位置補正後Layer1 / Barrel 4 Layer1 / Barrel 4

Top Top

Bottom Bottom

Mean 11.7 m

54.5 m

Mean 7.7 m

58.5 m

Mean 0.7 m

39.9 m

Mean 0.8 m

41.3 m

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　トラックが /ndf < 40 を満たす　クラスターをトラックから除外し、再度トラックをフィットする　　 （リフィットトラック）　リフィットトラックが 2/ndf < 6 を満たす 　リフィットトラックに伴うクラスターが 10 以上存在する　リフィットトラックの位置がモジュール端および異常ストリップ（ noisy, dead, etc… ）から 2 mm 以上離れている

⇒ 　以上を満たす場合、トラック予想位置とする （ヒット予想点）

⇒ 　ヒット予想点より ±2 mm の範囲内でクラスターを調べる

（ヒット観測点）

2/ndf = 6

SCT 検出器の検出効率

（検出効率） ＝ （ヒット観測点の数） / （ヒット予想点の数）

remove all hit

cluster

track

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SCT 検出器の検出効率

Layer1 / Barrel 4 　 Outer

Top

Bottom

Top

Bottom

Layer1 / Barrel 4 　 Inner

Top total : 99.21±0.03 %

Bottom total : 99.12±0.03 %

Layer1Layer0 Layer2 Layer3

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結論• SCT 検出器の性能評価

SCT 検出器の位置補正の結果、残差分布の～ 40m 程度まで改善した

各 SCT モジュールについて検出効率を見積もり、 Top ・Bottom ともに 99% 以上の検出効率が得られた

今後の予定• 地下 ATLAS 実験場での宇宙線テスト準備

バレル SCT 検出器は地下の ATLAS 検出器にすでに組み込まれている

5 月以降に予定されている地下 ATLAS 実験場での宇宙線テストに備え、準備を進める

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Backup

17

Number of Spacepoints

Real data

w/ 3 scintillators

Real data w/ 2 scintillators

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Number of Tracks

tracks w/ 2 scintillators

no alignment

tracks w/ 3 scintillators

no alignment

tracks w/ 3 scintillators

w/ alignment

19

Trigger Timing

20

no alignment ly0 & ly1

21

no alignment ly2 & ly3

22

local alignment ly0 & ly1

23

local alignment ly2 & ly3

24

Geant 4 simulation ly0 & ly1

25

Geant 4 simulation ly2 & ly3

26

Efficiency map ly0 & ly1

27

Efficiency map ly2 & ly3

28

Efficiency Diff b/w link 0 & link 1

29

Efficiency detail ly1

30

Kalman Filtering

track extrapolation

predicted hit position

measured hit position updated track position

track extrapolation

31

LHC 加速器（ Large Hadron Collider ）

ALICE

モンブラン

レマン湖 ジュネーブ国際空港

LHCbCMS

ATLAS

8.5km

P P

LHC （ Large Hadron Collider) @ CERN

LHC 加速器のスケジュール2007 年末　

　　検出器の較正・加速器の調整

2008 年春

　　 での物理実験の開始

現在 CERN 研究所にて建設中の陽子‐陽子衝突型加速器

重心系エネルギー 14TeVs

900GeVs

14TeVs

実験目的　 Higgs 粒子の探索　標準理論の検証　標準理論を越える物理の探索