ILC ILC カロリメータの設計研究カロリメータの設計研究

日本物理学会　 2005 年秋季大会2005/09/15

筑波大学　山口佳博

ACFA-SIM-J グループ GLD Calorimeter グループ 他

2005/09/15 　 2005日本物理学会 年秋季大会

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目次目次ه 目的ه カロリメータ構造ه 電磁カロリメータ性能ه ハドロンカロリメータ性能ه PFA による分割依存性ه デジタルカロリメータ

ه 閾値依存性ه まとめと今後

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目的目的

シミュレーションによって、カロリهメータの性能を研究するため、理想的なカロリメータ構造の実装、解析を行う。

デジタルカロリメータの性能を評価هする。

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シミュレーション ツールシミュレーション ツール

JUPITERJLC Unified

Particle Interactionand

Tracking EmulatoR

IO Input/Outputmodule set

URANUSLEDA

Monte-Calro Exact hits ToIntermediate Simulated output

Unified Reconstructionand

ANalysis Utility Set

Library Extention for

Data AnalysisMETIS

SATELLITES

JSF/ROOT basedFramework

Geant4 basedSimulator

MC truth generator Event Reconstruction

シミュレーション ツール データ解析

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GLD GLD 検出器検出器ه 14m( 幅 ) 14( 高 ) 　　 　 13m( 長 )ه 総重量 : 13,000 t

ه 紫 : バーテックス検出器

ه 赤 : タイムプロジェクションチェンバー

ه 緑 : 電磁、ハドロンカロリメータ

ه 灰 : ソレノイドه 青 : ミューオン検出器

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EM + HDHDCAL 130 レイヤー : 6.1 0

EMCAL 38 レイヤー : 27 X0

鉛 8mm

シンチレーター　　　 　 2mm

鉛 4mm分割 33

12cm

シンチレーター　　　　 1mm

カロリメータタワー

12cm

カロリメータ構造カロリメータ構造ه パラメータリスト

ه 衝突点からバレルまでの距離 : 210cm

ه 衝突点からエンドキャップまでの距離 : 270cm

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磁場中での荷電粒子磁場中での荷電粒子

ه 電子 1GeV では電磁カロリメータに入射する角度が磁場により、非常に小さくなる。

ه 電子 1GeV の電磁シャワーは電磁カロリメータの浅いレイヤーで止まる。

1GeV

TPC

EMCAL

HDCAL

10GeV

TPC

EMCAL

HDCAL

磁場 3T

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Energy [GeV]

En

ergy

Dep

osit

[G

eV]

Linearity

Dev

iati

on [

%]

Energy [GeV]

Deviation from Linearity

電磁カロリメータ性能 電磁カロリメータ性能 (( 電子電子 ))

1GeV では、電磁カロリメータ においてシャワーが浅いレイヤーで止まってしまう為、 線形性と分解能が悪くなる。

Resolution

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ハドロンカロリメータ性能 ハドロンカロリメータ性能 (( パイパイオンオン ))

Deviation from Linearity

Energy [GeV]

Dev

iati

on [

%]

ه 低エネルギー領域では線形性からのずれが大きい。

QGSP, LHEP Geant4 のハドロン相互作用モデル

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ハドロンカロリメータ性能 ハドロンカロリメータ性能 (( パイパイオンオン ))

ه QGSP :

ه LHEP :

ه Cut Magnet : (QGSP)

ه Front Cal : (QGSP)

ه Beam Test:

sto = 40.61.1 %con = 7.10.3 %

sto = 38.01.2 %con = 9.00.8 %

sto = 39.31.2 %con = 8.40.6 %

sto = 44.91.4 %con = 4.30.4 %

sto = 46.330.35 %con = 0.90.4 %

Beam test from NIMA 487 (2002) 291-307Configuration is 8mm lead and 2mm scinti.No EM Detector

Resolution

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PFAPFA による分割依存性による分割依存性

セルに入った粒子数

ه 1cm1cm: １粒子 ~ 100 % ه 2cm2cm: １粒子 ~ 70 %ه セルサイズが 1cm 1cm と 2cm2cm とで

粒子数の割合が大きく違う。 　　 分割は 1cm1cm であることが望ましい。 青いセル : １粒子

赤いセル : ２粒子

親粒子 1 個 親粒子 2 個

セル

に入

った

粒子

の割

合 [

%]

ه ee qqbar, s 300GeVه ここでは “セルに入った粒子

数” を、１セルに入った親粒子の数と定義する。

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デジタルカロリメータデジタルカロリメータ ه 細分割構造

ه ハドロンカロリメータ : 　　　分割 1212, セルサイズ 0.92 1.4 cm

ه 電磁カロリメータはアナログ読み出し、ハドロンカロリメータのみデジタル読み出し 。

ه 読み出しはヒットが有 / 無のデジタル。ه ハドロン相互作用モデルは QGSP を用いる。ه 利点

ه カロリメータ内で飛跡の再構成ه 読み出しが容易ه 費用が安い

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イベント ディスプレイイベント ディスプレイピンク 電子青色 ミューオン黄色 光子赤色 パイオン緑色 陽子紺色 中性子

TPC

EMCAL

HDCAL

セルサイズ EM, HD: 1cmx1cm

TPC

EMCAL

HDCAL

セルサイズ = EM: 4cmx4cm,　　　　　　　　 HD: 12cmx12cm

ه パイオン 100GeV

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変換係数変換係数

ه 入射粒子 : パイオンه ヒットの有 / 無は、 MIP

単位で決めた閾値を越えたかで定義する。

NHit

W Meananalog / Meandigital

NHD

Etot EEM WNHD

EEM NHD2 NHD

Wei

ght f

acto

r

5GeV

100GeV

Energy Deposit [GeV]

NH

it HDCAL10GeV0.1 mip

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閾値依存性閾値依存性

Resolution

ه 高エネルギー領域で分解能が悪い。ه 分解能は閾値に依存しない。

Energy [GeV]

Energy [GeV]

10GeV

75GeV

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まとめと今後まとめと今後ه まとめ

ه シミュレーションを用いて ILC カロリメータの性能を解析した。

ه 電磁カロリメータ : E 15.60.2 0.00.3

ه ハドロンカロリメータは低エネルギー領域で線形性が悪い。また分解能は 7 % 程度の定数項が出る。

ه PFA において、ジェットを一つ一つ切り離すためにはセルの分割は 1cm1cm が良い。

ه デジタルカロリメータではエネルギーの再構成がうまくいっておらず、高エネルギー領域ではエネルギー分解能が悪い。

ه 今後ه ハドロン相互作用モデルの詳細を調査する。ه デジタルカロリメータで、分解能の向上を試みる。

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Back up

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Nhit vs. Energy Deposit

Energy deposit [GeV] Energy deposit [GeV]

Energy deposit [GeV] Energy deposit [GeV]

Nh

it

Nh

it

Nh

it

Nh

it

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Analog and Digital

Nhit

Nhit

Energy deposit [GeV]

Energy deposit [GeV]

10GeV

75GeV

Analog Digital(0.1mip)

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NHit scatter plot

Energy deposit [GeV] Energy deposit [GeV]

Energy deposit [GeV] Energy deposit [GeV]

Nh

it

Nh

it

Nh

it

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Digital Total Energy (0.1mip)

5GeV 10GeV

25GeV 50GeV

75GeV 100GeV

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Energy deposit / cell

Energy Deposit / cell [MeV] Energy Deposit / cell [MeV]

Energy Deposit / cell [MeV] Energy Deposit / cell [MeV]

EMCAL

HDCAL0.10013MeV

Neutron capture?

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Energy deposit vs. Tof

Energy /cell [MeV]Energy [MeV]

To

f [n

sec]

Tof [nsec]

pi-10GeV1000event QGSP

Tof [nsec]

Energy [MeV]

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Energy Deposit

Energy Deposit / cell [MeV] Energy Deposit / cell [MeV]

Energy Deposit / cell [MeV]

• Energy deposit in HD CAL• 10GeV single pi-• 100 event

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Cut neutron exact hit (analog)

5GeV 10GeV

25GeV 50GeV

75GeV 100GeV

E 52.00.4 1.90.2