基于粒子流算法的电磁量能器性能研究

With the discovery of the Higgs boson at the Large Hardon Collider, fundamental physics finds itself at one of the most exciting crossroads in its history. The future of fundamental physics on the 20-50 year timescale hinges on starting a huge new accelerator complex that can take us at least one order of magnitude beyond the ultimate reach in precision and energy of the LHC. Many of the most profound mysteries are intimately connected with the Higgs particle. To fully exploit the physics potential of the Higgs, the jet energy resolution is required to reach a very high level. To achieve the required performance, a particle flow algorithm-oriented calorimeter system is being considered as the baseline design. The key idea of the PFA is to reconstruct each individual final state particle and measure its physical quantities in the most suitable sub-detectors. Significantly improved jet energy resolution can therefore be achieved with PFA compared to conventional measurement taken purely with calorimeters. In addition, PFA allows efficient and precise reconstruction of all the physics objects. To separate energy deposits from different incident particles, ultra-high granularity is vital for PFA-oriented calorimeters. A sampling calorimeter with scintillator-tungsten structure is one of the ECAL detector options. It can be built in a compact and cost effective way. The ScW Ecal consists of a cylindrical barrel system and two end-caps. We studied the essential issue of the ScW Ecal options, expected to solve the technical difficulties. This project will promote the development of particle flow electromagnetic calorimeter, and actively promote the domestic research this kind of detector.

Higgs粒子的发现意味着粒子物理研究进入了一个全新局面。在未来几十年内，粒子物理实验的核心任务将是精确测量Higgs粒子的各项性质以及继续探索超出标准模型的新物理。粒子流算法是目前最有希望达到Higgs 物理对jet能量分辨率测量要求的途径。粒子流量能器是一个完全区别于传统量能器的下一代新型量能器，不仅要实现能量的精确测量，还要实现粒子径迹的高效率重建，这就要求量能器必须是一个粒度极高的三维“成像”量能器。大规模高密度读出通道的电磁量能器，在设计与建造方面都对物理学家提出了非常大的挑战。基于塑闪条/钨板结构的取样型电磁量能器（ScW Ecal）是目前粒子流电磁量能器备选方案之一，本项目对此方案目前存在的关键问题进行了详细研究，有望解决其中的一些技术难点。本项目会极大地促进粒子流电磁量能器的发展，积极推动此类探测器在国内的研究。

CEPC项目中的基于粒子流算法的电磁量能器是一个完全区别与传统量能器的下一代新型探测器，不仅要实现入射粒子的精确测试，还是实现粒子径迹的高效率重建，这就要求量能器必须是一个粒度极高的三维成像量能器。大规模高密度读出通道的电磁量能器，在设计与建造方面都存在非常大的挑战。基于塑闪条-钨板结构的取样型电磁量能器是目前粒子流电磁量能器的备选方案之一，本课题对此方案的关键问题进行了深入研究，解决了其中的一些技术难点，进行了单层原理样机研制并进行了宇宙线事例测试。该课题完成了如下研究内容：.①完成粒子流电磁量能器结构设计优化，给出了适用于CEPC对撞能量下的基于塑闪-钨板的粒子流电磁量能器(ScECAL)的结构优化，包括钨板厚度、取样层数等关键设计参数，掌握了极高粒度电磁量能器的设计难点。为后续参加ILC国际合作或者CEPC在国内建造做好了技术储备。.②对多种SiPM器件进行了性能测试，完成了适用于CEPC电磁量能器方案的器件选型。与北京师范大学的NDL实验室进行了合作，对其研发的10um像素SiPM进行了全面的性能测试，评估了其在CEPC电磁量能器上应用的可行性，推动了国产器件在未来大科学装置上的应用。.③对塑闪条与SiPM的耦合进行了详细研究，通过优化塑闪条开槽方式改进了塑闪条光输出均匀性，获得了光输出不均匀性小于10%且对MIP信号输出大于7个光电子的读出单元结构。.④ 基于相邻两层正交排列塑闪的位置信息，初步开发了位置识别算法，可以有效的排除长条塑闪导致的“鬼粒子”现象，有效的实现5mm*5mm的位置分辨。.⑤设计并建造了两项二氧化碳制冷系统，实现了长期稳定运行。试制了不同大小面积的微通道板散热片，最终获得了面积大于10cm*10cm厚度小于2mm的微通道板散热片，并成功的利用恒定热源法进行了导热量测试。.⑥建造了基于LED和光纤的树形刻度系统，单个LED发光由至少10路光纤读出，实现24路SiPM刻度。该刻度系统可以简单高效的进行SiPM刻度，实现量能器性能监测。.⑦在完成了塑闪结构优化、SIPM器件选型、读出电路设计之后，建造了单片120路读出单元的CEPC ECAL粒子流电磁量能器原理样机，制作了钨板簇射体，设计加工了固定框架将塑闪条、钨板、电路板组装成为独立的一层探测器单元。在实验室利用放射源Sr-90和宇宙线进行了初步的性能测试，进行了原理验证。