時間投影室

物理学において、時間投影チャンバー( TPC ) は、電場と磁場の組み合わせと、感知可能なガスまたは液体の体積を使用して、粒子の軌跡または相互作用の 3 次元再構成を実行する粒子検出器の一種です。

オリジナルのTPCは、1970年代後半にローレンス・バークレー研究所のアメリカ人物理学者デビッド・R・ナイグレンによって発明されました。 ^{[1]その最初の主要な応用は、} SLACのPEPストレージリングでの29 GeVの電子-陽電子衝突を研究したPEP-4検出器でした。

時間投影チャンバーは、位置敏感型電子収集システムを備えた電界内のガス充填検出ボリュームで構成されています。 元の設計 (および最も一般的に使用されている設計) は、円筒形のチャンバーで、エンドプレートとしてマルチワイヤ比例チャンバー(MWPC) を備えています。 チャンバーは、中央の高電圧 電極ディスクによって長さに沿って半分に分割されており、中央とエンドプレートの間に電界を確立します。 さらに、ガスのイオン化から生じる電子の拡散を最小限に抑えるために、電界と平行に円筒の長さに沿って磁場が適用されることがよくあります。 粒子は、検出器ガスを通過すると、その軌跡に沿って一次イオン化を生成します。z座標 (円筒軸に沿った) は、イオン化イベントから端部の MWPC までのドリフト時間を測定することによって決定されます。 これは、ドリフトチャンバーの通常の手法を使用して行われます。 端部の MWPC は、方位角方向θに陽極ワイヤとともに配置され、これにより、半径座標rに関する情報が提供されます。方位角方向を得るために、各カソード面は半径方向に沿ってストリップに分割されます。

近年、位置敏感型電子増幅および検出の他の手段がより広く使用されるようになり、特に原子物理学における時間投影箱の応用の増加と相まって、これらは通常、セグメント化された陽極板とフリッシュグリッド^[2]またはガス電子増倍管^[3]のような能動電子増倍素子を組み合わせたものである。これらの新しいTPCは、軸方向の磁場を持つ円筒形の従来の形状から、平坦な形状^[2]または放射状の磁場を持つ円筒形[ ^{3 ]へと変化している。}

初期の素粒子物理学の研究者も、 CERN NA49やNA35実験のように、ビームラインの真上または真下に配置された、より単純化された箱型の形状を通常使用していました。

1974年、ウィリアム・J・ウィリスとヴェリコ・ラデカは、気体イオン化検出器で通常発生する増幅なしに、液体アルゴン検出器で全吸収熱量測定が可能であることを実証しました^[4]。この重要な技術により、ナイグレンの元の設計に基づいた時間投影チャンバーが可能になりましたが、感度媒体としてガスではなく液体アルゴンを使用しました。

1976年、ハーバート・H・チェンは、カリフォルニア大学アーバイン校およびカリフォルニア工科大学の共同研究者とともに、液体アルゴンを時間投影箱（LArTPC）で使用する最も初期の方法の1つを提案した。^{[5] [6]}チェンがこのような検出器で当初目指したのはニュートリノ電子散乱の研究だったが、その目標は太陽ニュートリノや宇宙ニュートリノ、あるいは陽子崩壊の測定へと発展した。^{[5] [7] [8]}

1977年、カルロ・ルビアは独立して、ほぼ同時に、CERNに稀少事象の素粒子物理学実験のためのLArTPCを建設することを提案した。^{[9] [7]}

液体アルゴンは、いくつかの理由から高感度媒体として有利である。^{[9] [10]}アルゴンは貴元素であり、したがって電気陰性度がゼロであるという事実は、電離放射線によって生成された電子が検出器の読み取り部に向かって漂う際に吸収されないことを意味する。また、アルゴンはエネルギーの高い荷電粒子が通過するとシンチレーションを起こし、通過する粒子によってアルゴンに蓄積されたエネルギーに比例した数のシンチレーション光子を放出する。^[10]液体アルゴンは比較的安価であるため、大規模プロジェクトを経済的に実現可能である。しかし、液体アルゴンを高感度媒体として使用する主な動機の1つは、その密度である。^[9]液体アルゴンは、ナイグレンのTPC設計で使用されるガスよりも約1000倍の密度があり、粒子が検出器内で相互作用する可能性が約1000倍に増加する。この機能は、ニュートリノと核子の相互作用断面積が小さいニュートリノ物理学において特に役立ちます。

典型的なLArTPCの本体は3つの部分から構成されています。検出器の片側には高電圧カソードプレーンがあり、TPC全体にドリフト電界を確立するために使用されます。これが設定される正確な電位は検出器の形状に依存しますが、この高電圧カソードは通常、検出器全体に500 V/cmのドリフト電界を生成します。^[10]

カソード面の反対側には、カソードよりもはるかに高い（より負に小さい）電位に設定された陽極ワイヤ面のセットがあります。各面は、通常 1 cm 程度の小さなギャップで隣接する面から分離されています。面は、数ミリメートル間隔で配置された多数の平行な導電ワイヤで構成され、ワイヤが垂直に対して向いている角度は面ごとに異なります。これらの面が一緒になって、ドリフト電子からの信号を読み取ります。N個のアノードワイヤ面を持つ検出器の場合、内側のN  − 1 面は誘導面と呼ばれます。これらは外側の面よりも低い（より負に大きい）電位に設定されており、ドリフト電子が通過して、イベント再構成に使用される信号を誘導します。外側の面は、ドリフト電子がこれらのワイヤに収集され、追加の信号を生成するため、収集面と呼ばれます。ワイヤの向きが異なる複数の面を持つことで、2 次元のイベント再構成が可能になり、3 次元目は電子のドリフト時間から求められます。

3 番目の部分は、カソードとアノード間のフィールド ケージです。このフィールド ケージは、カソードとアノード間の均一な電界を維持し、ドリフト電子の軌道がイオン化点とアノード面間の最短経路からできるだけ外れないようにします。これは、イベント再構成中に粒子の軌道が歪むのを防ぐことを目的としています。

光収集システムは、シンチレーション光によるイベントからより多くの情報を抽出する手段として、基本的な LArTPC に付随することが多い。^[10]また、粒子が検出器を通過してからわずかナノ秒後にシンチレーション光を収集するため、トリガーにおいても重要な役割を果たす。これは、解放された電子がワイヤ面までドリフトするのにかかる時間よりも比較的短い (1000 分の 1 程度) ため、シンチレーション光子の収集時間をイベントのトリガー時間 ( t ₀ ) として区切るだけで十分な場合が多い。このトリガー時間を使用して、電子ドリフト時間を見つけることができ、イベントの 3 次元再構成が可能になる。このようなシステムは、LArTPC がトリガー時間を特定できる唯一の手段ではないが、崩壊または相互作用する粒子が人工の加速器で生成されず、したがって粒子ビームのタイミングが不明な超新星や陽子崩壊などの現象を研究するためには必要である。^[10] 光電子増倍管、光ガイド、シリコン光電子増倍管は、この光を集めるために使用される機器の例です。これらは通常、ドリフトボリュームのすぐ外側に配置されます。

典型的な LArTPC では、各陽極面の各ワイヤはRC 回路の一部であり、ワイヤ自体は抵抗器とコンデンサの間にあります。抵抗器のもう一方の端はバイアス電圧に接続され、コンデンサのもう一方の端はフロントエンド エレクトロニクスに接続されます。フロントエンド エレクトロニクスは、回路内の電流を増幅してデジタル化します。時間の関数として増幅されデジタル化されたこの電流は、イベント再構成に渡される「信号」です。

特定の陽極面ワイヤの場合、生成される信号は、ワイヤが誘導面にあるか収集面にあるかによって特定の形式になります。誘導面のワイヤに向かって移動するドリフト電子は、ワイヤに電流を誘導し、出力電流に「バンプ」を生成します。電子がワイヤから離れる方向に移動すると、反対方向に電流を誘導し、最初のものとは反対の符号の出力「バンプ」を生成します。結果は双極性信号です。^[11]対照的に、収集面ワイヤの信号は単極性です。電子はワイヤを通過せず、ワイヤによって「収集」されるためです。これらの両方の形状では、信号振幅が大きいほど、より多くのドリフト電子がワイヤを通過したか (誘導面の場合)、ワイヤによって収集されたか (収集面の場合) を意味します。

特定の陽極面にあるすべてのワイヤの信号読み出しは、粒子相互作用の 2D 画像にまとめることができます。このような画像は、法線ベクトルが指定された陽極面のワイヤに平行な 2D 平面への 3D 粒子相互作用の投影です。各陽極面に対応する 2D 投影が組み合わされ、3D 相互作用が完全に再構築されます。

この技術自体は、1970年代初頭にアルゴンを使用した放射線検出用に初めて開発されました。^[12] ZEPLINプログラムは、 WIMP探索に2相技術を使用する先駆者でした。XENONおよびLUXシリーズの検出器は、物理学におけるこの機器の最先端の実装を表しています。

ダークマター時間投影チャンバーは、ダークマターの最有力候補の 1 つである、弱い相互作用をする巨大粒子(WIMP)を直接検出する実験です。この実験では、低圧時間投影チャンバーを使用して、潜在的なダークマター イベントの元の方向を抽出します。この共同研究には、マサチューセッツ工科大学(MIT)、ボストン大学(BU)、ブランダイス大学、およびロンドン大学ロイヤル ホロウェイ校の物理学者が参加しています。MIT と BU の研究所で、いくつかのプロトタイプ検出器が構築され、テストされています。この共同研究は、2010 年秋にニューメキシコ州カールスバッド近郊の廃棄物隔離パイロット プラント(WIPP)の地下研究所で最初のデータを取得しました。 ^{[出典が必要]}

ダークマタータイムプロジェクションチャンバーは2010年に表面実験の最初の結果を発表し、スピン依存の断面積限界を設定した。^[13]

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