LHCでのAFPタイムオブフライト検出器のパフォーマンス評価

Time-of-Flight（ToF）検出器は、LHC（大型ハドロン衝突型加速器）で使われるATLAS Forward Proton（AFP）検出器システムの一部なんだ。この研究は、LHCのRun 2中にToF検出器がどれだけうまく機能したかを調べてる。2017年のデータを集めることに重点を置いていて、これはToF検出器が相互作用点の両側で使われた最初の年なんだ。

#ATLAS Forward Proton検出器の概要

ATLASはLHCの主要な実験の一つで、高エネルギーの陽子-陽子衝突を研究するために設計されている。LHCでの衝突の一部は「無傷」の陽子を生じることもあって、これは少なくとも1つの陽子が衝突中に壊れないことを意味するんだ。無傷の陽子が検出されると、通常は粒子活動がない急激なギャップと呼ばれる空間の領域と一緒に見られる。この現象は、陽子と衝突で生成された粒子との間に接続がないことから説明される。こうしたプロセスのほとんどは、ポメロン交換によって説明される回折イベントとして分類される。

回折プロセスは、弾性散乱、中央回折プロセス、単一回折解離、二重回折解離など、いくつかのカテゴリに分けられる。単一および中央回折プロセスからの無傷の陽子は、小さな角度で偏向されるため、内部検出器を逃れることができる。彼らを検出するために、特別な前方陽子検出器が相互作用ゾーンから遠くに配置されている。

#AFP検出器の役割

ATLAS実験では、AFPシステムは2つの前方陽子検出システム、すなわちATLASの絶対輝度測定器（ALFA）とATLAS Forward Proton検出器システム（AFP）を含んでいる。ALFAは弾性プロセスとソフトな回折解離を測定し、AFPは通常のATLAS運用中に前方陽子の情報を集めて、ハードスケール回折および光子誘起プロセスを研究する。

#パイルアップ効果の理解

LHCからのデータ分析での大きな課題の一つは、パイルアップだ。これは同じバンチクロッシングで複数の陽子-陽子衝突が起こることを指す。これが背景ノイズを生み出して、分析が複雑になる。たとえば、パイルアップは急激なギャップを埋めて、回折イベントの特定を難しくするんだ。

AFPによって検出された回折プロセスの場合、強いパイルアップ効果として組み合わせ背景がある。これは、独立した相互作用が二重タグ付きイベントに似た署名を生成する場合に起こり、曖昧さを引き起こす。これらの背景の存在は、イベント解釈において重要なんだ。

#AFPシステムの構造

AFPシステムは、相互作用点の両側にある4つの検出器ステーションから構成されていて、中央から205メートルと217メートルの位置にある。それぞれのステーションには、入ってくる陽子の位置を測定するシリコン追跡検出器が含まれている。ToF検出器は追跡検出器の後ろに設置されていて、陽子が通過するのにかかる時間を測定するんだ。

#Time-of-Flight検出器の設計

ToF検出器は、合成石英から作られたチェレンコフ検出器がL字型のバーに配置されている。このバーは、陽子が通過する際に生成される光をキャッチして、その光を測定して飛行時間を決定する。ToF検出器のセットアップは、二重タグイベントでの組み合わせ背景を減らすために重要で、検出器の両側のタイミングを相関させるんだ。

#初期性能評価

2017年のToF検出器の初期性能評価では、稼働効率がわずか数パーセントしかなかったことが示された。それでも、個々の検出器のタイミング分解能は素晴らしく、約21ピコ秒（ps）と28 psの値だった。この性能は、中央ATLASトラッカーとToFシステムの間の測定された違いと一致していて、信頼できるタイミング測定を示している。

#データとイベント選択

この研究は、2017年の特定のATLASラン中に収集されたデータを分析した。このデータは、主にシリコン追跡検出器での信号の存在に基づいて選択された。分析では、異常や故障しているチャンネルを示すデータを除外する必要があり、結果の信頼性を確保しているんだ。

#ノイズと背景分析

ToF検出器はノイズに影響を受けることがあって、主に2つのソースから来る：ランダムノイズとビーム関連ノイズ。ランダムノイズは検出器内の熱活動から生じることがあり、ビーム関連ノイズは陽子がビームライン近くの他の材料や機器と相互作用することで発生する。

分析によると、ToF検出器は荷電粒子に敏感で、これには陽子衝突から発生しない追加信号、一般的にはビームハローと呼ばれるものも含まれる。この背景は、クリーンなイベント選択に課題をもたらし、真の信号と背景ノイズを区別するための注意深い分析が必要になる。

#検出器効率の測定

ToF検出器の効率測定は、特定のイベントサンプルに基づいて行われた。ToFチャンネルの効率は、信号があるイベントの数をシリコンのトラックを持つイベントの総数と比較することによって決定された。結果は、効率が年を通じて大きく変動し、放射線露出や他の運用要因による劣化が原因と思われることを示している。

#タイミングキャリブレーション

正確な時間測定を確保するために、タイミングシステムのキャリブレーションが必要だった。タイミングを測定するHPTDCは、生の時間測定の不一致を修正するためにキャリブレーションを受けた。キャリブレーションプロセスには、時間分布の分析と不要なノイズをフィルタリングして集めたデータの整合性を確保することが含まれていた。

#タイミング分解能の測定

個々のToFチャンネルの性能は、チャンネル間の時間差を調べることで評価された。これらの測定は、ToF検出器の精度に関する洞察を明らかにした。分解能は、特定のランとデータ収集中の条件に応じて、約20 psから40 psの範囲だった。

#バーテックスマッチング分析

バーテックスマッチングは、ToFシステムで検出された陽子の到着時間を中央ATLASトラッカーによって決定された正確な位置と比較することを含んでいる。この分析は、ToFシステムが主要な相互作用点のz座標をどれだけうまく測定できるかを評価するために重要だった。結果は、2つのシステム間の良い整合性を示し、衝突後の陽子軌道追跡におけるToF検出器の有効性をさらに確認している。

#発見の要約

ToF検出器システムは、LHCでの2017年のデータ収集において顕著な性能を示した。さまざまなランを通じて、ToFチャンネルの効率は最初は低かったけど、年末にはかなり悪化してしまった。ただ、タイミング分解能は競争力があり、良好なバーテックス測定をも可能にしていた。

この研究の結果は、LHCにおける回折プロセスの理解を深めるためのToF検出器の重要性を浮き彫りにしている。今後のATLASのアップグレードや強化は、これらの発見を活かして、今後のランでのさらに正確な測定を可能にすることを目指している。

#最後のコメント

結論として、AFP Time-of-Flight検出器システムの性能は、LHCのRun 2中にうまく評価された。この研究は、検出器の効率、タイミング分解能、バーテックス位置の再構築能力に関する貴重な洞察を提供している。開発された方法論は、高エネルギー物理学研究における同様の検出システムの将来の使用の参考になると期待されている。