LHCラン2中のタイルカロリメーターへの放射線の影響
研究がLHCにおける強い放射線被曝下でのTileCalの性能を明らかにした。
J. Abdallah, M. N. Agaras, A. Ahmad, P. Bartos, A. Berrocal Guardia, D. Bogavac, F. Carrio Argos, L. Cerda Alberich, B. Chargeishvili, P. Conde Muiño, A. Cortes-Gonzalez, A. Gomes, T. Davidek, T. Djobava, A. Durglishvili, S. Epari, G. Facini, J. Faltova, M. Fontes Medeiros, J. Glatzer, A. J. Gomez Delegido, S. Harkusha, A. M. Henriques Correia, M. Kholodenko, P. Klimek, I. Korolkov, A. Maio, F. M. Pedro Martins, J. G. Saraiva, S. Menke, K. Petukhova, I. A. Minashvili, M. Mlynarikova, M. Mosidze, N. Mosulishvili, S. Nemecek, R. Pedro, B. C. Pinheiro Pereira, V. Pleskot, S. Polacek, Y. Qin, R. Rosten, H. Santos, D. Schaefer, F. Scuri, Y Smirnov, C. A. Solans Sanchez, A. A. Solodkov, O. V. Solovyanov, A. Valero, H. G. Wilkens, T. Zakareishvili
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目次
大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のATLAS実験は、宇宙についてのさまざまな基本的な質問を探るために設計された大規模な粒子物理学の実験だよ。この実験の重要な要素の一つがタイルカロリメータ（TileCal）で、ハドロンのような粒子のエネルギーを測定するんだ。粒子が検出器と相互作用すると、特に放射線の影響で摩耗が進むことがあるんだ。この記事では、2015年から2018年までのLHC Run 2において、TileCalの光学機器が放射線にどのように耐えたかを調べた研究について紹介するよ。
タイルカロリメータって何？
タイルカロリメータは、LHCでの衝突で生成される粒子のエネルギーを測定する中央の部分だよ。プラスチックシンチレーターと鉄のいくつかの層で構成されていて、入ってくる粒子からのエネルギーを吸収するんだ。粒子がシンチレーターに当たると光のフラッシュが生まれて、それが特別な光ファイバーによって集められ、光電子検出器に送られて測定されるよ。
これをハイテクな「ダイナー」に例えると、各粒子が客で、シンチレーターのタイルが光を提供するウェイターだね。各ウェイターは、自分の仕事がうまくいけば、チップ（光信号）を集めるんだ。
光学部品のリスク
高エネルギーの衝突を扱っているから、TileCalは多くの放射線にさらされるんだ。シンチレーターや光ファイバーは、時間が経つにつれてこの放射線にさらされることでダメージを受けやすいんだ。この研究では、LHCの厳しい条件の中で、これらの部品がどのように耐えたかを探ったよ。
光ファイバーはシンチレーターから光を集める役割を果たしていて、ちょっとパーティーに参加している人たちのように活気ある会話から最高の話を吸収するんだ。パーティーが長引くと、いい部分を忘れ始めるかもしれないね。
キャリブレーションとモニタリング
TileCalの機能を追跡するために、さまざまなキャリブレーションとモニタリングシステムが整備されているんだ。これには以下が含まれているよ：
- セシウムの放射性源：これがキャリブレーションチェックのための一貫した光を提供するんだ。
- レーザーシステム：これが検出器の反応をモニタリングするのを助けるよ。
- ミニマムバイアスイベント：これは無作為に発生するスケールイベントで、全体のパフォーマンスを測るのに役立つんだ。
これらのシステムは、ダイナーでのウェイターがまだ正しく料理を提供し続けているかを確認するための定期的なチェックインのようなものだね。もしウェイターが手を抜き始めたら、経営陣はすぐに知る必要があるよ！
データ収集
この研究のデータは、2015年から2018年までのRun 2期間から得られたもので、測定は放射線曝露の結果として光学部品の光出力がどのように変化したかを評価することを目的としたんだ。
測定の結果、タイルが放射線にさらされる時間が長くなるほど、光出力がちらつくようになって、まるで夜が更けるにつれてダイナーの明かりが暗くなるようだったよ。
研究の結果
TileCalのパフォーマンスは層ごとに異なっていて、最も内側のA層が放射線の影響を最も受けて、Run 2の終了時には光出力が約10%減少したんだ。他の層はそれほどダメージを受けず、元のパフォーマンスから1%以内に収まっていることが多かったよ。
A層は、長い夜のエネルギーを提供した後、休憩を求めているようだったね！一方、他の層はなんとか頑張っていたよ。
ギャップとクラックのシンチレーター
通常のセグメントの他に、特別なギャップとクラックのシンチレーターもあって、これらはさらに厳しい条件にさらされていたんだ。ギャップのシンチレーターは約12%の光出力の損失を示したけど、クラックのカウンターはリアルなドラマクイーンで、各種で20%から30%の損失を被ったよ。
ダイナーの休憩室は明らかに混沌とした場所で、これらのカウンターはRun 3に向けてマジなリフォームを求めていたね。
ミニマムバイアストリガーシンチレーター
ミニマムバイアストリガーシンチレーター（MBTS）は、トリガーとタイミングイベントを助けるもので、かなりの摩耗を受けていたよ。このシステムの内側のカウンターは、Run 2の期間中に特に大きな放射線を受けて、ほぼ90%の光反応を失ってしまったんだ。
それだけじゃなくて、彼らはRun 3のために交換されたんだ、まるで賑やかなダイナーで過労のシェフのように、彼らはもっと良い日を過ごしていたはずだね。
放射線環境
LHCの放射線環境は、高エネルギーの衝突によってさまざまな二次粒子が生成されることに影響されるんだ。その約50%はTileCalが稼働するエリアで生成されるけど、全体の衝突エネルギーの約1%しか寄与していないんだ。
賑やかな街角でみんなが話しているけど、数少ない会話だけが大きな声で聞こえるような感じだね。
シミュレーションを用いて、シンチレーター材料が経験する総イオン化線量（TID）を推定した結果、特定のエリアは他のエリアよりもかなり高い線量を受けていることが分かったよ。
劣化モデル
集められたデータを基に、研究者たちは放射線の下で光学部品が時間とともにどのように劣化するかを理解するためのモデルを作成したんだ。このモデルによって、将来のパフォーマンスを外推し、将来のランで予想されるより厳しい環境に備えたんだ。
これは、去年の客数を基にして夏のダイナーがどのくらい忙しくなるかを予測するようなものだね。
今後の予測
LHCの高ルミノシティフェーズでは、さらに多くの放射線が供給される見込みで、瞬時のルミノシティが7倍になると予想されているよ。これを意味するのは、TileCalが最良の状態である必要があり、深刻な劣化のリスクに直面するかもしれないってことだね。
未来の「ダイニング」状況は厳しいようで、ウェイターたちは急な混雑に備える必要があるよ！
結論
要するに、LHC Run 2中のタイルカロリメータの光学機器についての研究は、放射線がこれらの重要な部品の性能にどのように影響を与えるかについての貴重な洞察を提供してくれたんだ。集めたデータと開発されたモデルは、TileCalが新たな課題に直面しても強靭であり続けることを確実にする助けになるよ。
ダイナーが次の大きなサービスの準備をしている中、キッチンはすべての客が満足して帰れるように最高の材料で在庫を確保しなきゃね。新しいウェイターといくつかのアップグレードされたメニューが必要かもしれないけど！
オリジナルソース
タイトル: Study of the Radiation Hardness of the ATLAS Tile Calorimeter Optical Instrumentation with Run 2 data
概要: This paper presents a study of the radiation hardness of the hadronic Tile Calorimeter of the ATLAS experiment in the LHC Run 2. Both the plastic scintillators constituting the detector active media and the wavelength-shifting optical fibres collecting the scintillation light into the photodetector readout are elements susceptible to radiation damage. The dedicated calibration and monitoring systems of the detector (caesium radioactive sources, laser and minimum bias integrator) allow to assess the response of these optical components. Data collected with these systems between 2015 and 2018 are analysed to measure the degradation of the optical instrumentation across Run 2. Moreover, a simulation of the total ionising dose in the calorimeter is employed to study and model the degradation profile as a function of the exposure conditions, both integrated dose and dose rate. The measurement of the relative light output loss in Run 2 is presented and extrapolations to future scenarios are drawn based on current data. The impact of radiation damage on the cell response uniformity is also analysed.
著者: J. Abdallah, M. N. Agaras, A. Ahmad, P. Bartos, A. Berrocal Guardia, D. Bogavac, F. Carrio Argos, L. Cerda Alberich, B. Chargeishvili, P. Conde Muiño, A. Cortes-Gonzalez, A. Gomes, T. Davidek, T. Djobava, A. Durglishvili, S. Epari, G. Facini, J. Faltova, M. Fontes Medeiros, J. Glatzer, A. J. Gomez Delegido, S. Harkusha, A. M. Henriques Correia, M. Kholodenko, P. Klimek, I. Korolkov, A. Maio, F. M. Pedro Martins, J. G. Saraiva, S. Menke, K. Petukhova, I. A. Minashvili, M. Mlynarikova, M. Mosidze, N. Mosulishvili, S. Nemecek, R. Pedro, B. C. Pinheiro Pereira, V. Pleskot, S. Polacek, Y. Qin, R. Rosten, H. Santos, D. Schaefer, F. Scuri, Y Smirnov, C. A. Solans Sanchez, A. A. Solodkov, O. V. Solovyanov, A. Valero, H. G. Wilkens, T. Zakareishvili
最終更新: 2024-12-20 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://arxiv.org/abs/2412.15944
ソースPDF: https://arxiv.org/pdf/2412.15944
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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