Backup of ILC-Kyushu(No. 22) - Experimental Particle Physics, Kyushu University

ILC(International Linear Collider) †

ILC（International Linear Collider）計画とは、世界48カ国共同で進めているLHCの次の役割を担う次世代型直線加速器計画です。電子とその反粒子である陽電子を全長31km(〜50km)の加速器の中で加速させることで実験を行います。電子と陽電子を光速に近い速度まで加速し、正面衝突させることで、宇宙が始まってから10-12秒後のエネルギー状態を作ることが出来、そこから生まれるヒッグス粒子を始めとする様々な粒子を検出器によって観測します。ILCではその観測された粒子の情報から、宇宙初期の解明、質量の起源、力の統一の謎を突き止めることを目標としています。このILC計画は現在、世界各地の候補地の中で日本に建設されることが有力になっています。このILC計画を実現させるために、当研究室は検出器開発の一部を担っています。

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ILD(International Large Detector) †

ILCには、ILDとSiDという２つの検出器が予定されています。そのうち当研究室が関わっているのは、ILDと呼ばれる検出器です。この検出器には日本の数多くの研究機関が開発に携わっています。ILCでは目標の物理の鍵となる反応の終状態にジェット（多数のハドロンの集合）を多数含むため、検出器にはこれらのジェット一つ一つを区別することのできる高いエネルギー分解能が必要とされます。ILCではこれに対応するためにParticle Flow Algorithm(PFA)という方法が用いられます。具体的には、荷電を持った粒子はトラッカーで運動量を、光子は電磁カロリメーターで、中性ハドロンはハドロンカロリメータでエネルギーを測るといった、ジェット中の粒子の種類によってエネルギーを測る測定器を変えるというものです。このPFAの性能を向上させるためには高精細な検出器が必要不可欠であり、当研究室では国内外の研究機関と協力しながら電磁カロリメータに関する研究をソフトウェアとハードウェアの両面から行っています。

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九大での活動 †

ILDの電磁カロリメータにはPFAの要求を満たす候補として、ピクセル型シリコン半導体検出器を使った検出器(SiECAL)と、プラスチックシンチレータと半導体光センサーMPPCを用いた検出器(ScECAL)の2つが提案されています。当研究室では、そのうちの1つであるSiECALで使われるピクセル型シリコン半導体に関する研究を行っています。また、PFAの性能を維持しつつコストを削減できるように、シリコンとシンチレーターの2種類両方を用いたハイブリッド型電磁カロリメータも提案されており、それを実現するためにシミュレーションでの構造研究や読み出しシステムの開発研究を進めています。その他にも、ILCで起こると考えられている物理現象を理解するための物理シミュレーション研究も行っています。

電磁カロリメータの構造最適化研究

電磁カロリメータは光子のエネルギーを測定する検出器であり、エネルギーの測定部分である検出体とエネルギーを吸収する吸収体という２種類の構造を持っています。ILDでは検出体にシリコン、吸収体にタングステンを用いて、更にこれらを交互に組み合わせたサンプリング型という構造にして、高精細なカロリメータを実現し精密な測定を目指しています。しかし、シリコンは精密な測定を可能にしてくれますが、高価であることからILD全体でかかるコストのうち一番大きな割合を占めています。
九州大学素粒子実験研究室のILCグループでは、研究の１つとして物理目標から要求される測定精度を満たしつつ、コストも抑えたカロリメータを開発するために、様々な角度からカロリメータの構造を検証しています。
具体的には、シミュレーションソフトを用いて、検出体と吸収体の厚さや層数を変えたり、シリコンのピクセルのサイズを変えて測定精度の変化を調べています。また、検出体としてシリコンの他にシンチレータも用いたハイブリッド型を提案し、電磁カロリメータだけでなくその外側にあるハドロンカロリメータも含めて、カロリメータ全体の構造開発・検証も進めています。
物理シミュレーション

ILCには物理目標の1つにヒッグス粒子の精密測定が掲げられています。当研究室では、実際に実験を開始した際のデータの理解を深めるべく、物理シミュレーションを用いて解析手法の研究を行っています。特に、ILCの初期段階（重心系エネルギー250GeV運転時）に典型的なヒッグス粒子の生成過程となるZH随伴生成過程の解析手法や500GeV運転時におけるttHの解析手法の研究を行っています。
電磁カロリメータで用いられるシリコン半導体の特性研究

ILDでは非常に高い測定精度が求められています。それに伴い、ILDの電磁カロリメータの検出体にも、この要求を満たす適した物質と形状が必要となってきます。そこで現在、検出体の候補の１つとしてピクセル上に細分化されたシリコン半導体が考えられています。
測定要求を満たす検出器を作るためには高い技術が必要となり、当研究室では、その検出器の試作品づくりを浜松ホトニクス社と共同で行っています。そしてできた試作品が実際に要求を満たすものかどうかを検証するために、特性研究を国内外の大学や研究機関、企業と共同で行っています。具体的には、試作品の電流-電圧特性や容量-電圧特性、またレーザーを用いて半導体の応答特性を調べています。更に、実際にILCが稼働した時には検出器は大量の放射線に晒されるため、その放射線耐性も調べています。

この検出器が将来ILDで用いられる場合、大量の枚数が必要となるだけでなく、その全てがILDの測定要求を満たすものでなければなりません。そのため、先程述べた電流-電圧、容量-電圧特性の測定やレーザー測定を１枚１枚正確かつスピーディーに行う必要があります。この測定方法の開発も、当研究室では行っています。
読み出しシステムの開発

ILDのカロリメータに使われる読み出しシステム（DAQ）の研究開発を海外の研究機関と共同で行っています。シリコン半導体検出器では、総チャンネル数が10億にも上るため、デットスペースを減らすために読み出しとしてPCBにASICを載せることが予定されています。我々はそのILDシリコン検出器に使われる専用ASIC、SKIROC2(Silicon Kalorimeter Integrated Read-Out Chip)の性能評価やシリコン検出器とシンチレータ検出器の両方を用いたハイブリッド型カロリメータの実現に向けて、ILDのカロリメータ全体を動かす統合DAQの開発も行っています。

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CALICE国際共同研究 †

CALICE (Calorimetry for Linear Collider Experiments)国際共同研究は、ILC実験でPFAに最適化されたカロリメータを実現するため、様々なテクノロジーに基づいた開発研究を行っています。日本のグループは、細分割されたシンチレータと半導体光センサーMPPCを用いた電磁カロリメータ (ScECAL) の開発研究を行ってきました。これからは、細分割されたシリコンパッドを用いた電磁カロリメータ(SiECAL) の開発研究も行っていきます。

CALICE
CALICE-Asia Weekly meeting

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Meetings/Workshops †

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リンク †

ILC(International Linear Collider)