Hit-rate capability of a silicon strip detector module for decay positron detection in the J-PARC muon $g-2$/EDM experiment

Resumen Técnico: Capacidad de Tasa de Impacto de un Módulo de Detector de Tiras de Silicio para el Experimento de Muones $g-2$/EDM en J-PARC

Planteamiento del Problema
El experimento de muones $g-2$/EDM en J-PARC tiene como objetivo medir el momento magnético anómalo y el momento dipolar eléctrico del muón utilizando una técnica única que involucra un haz de muones térmicos acelerados a 300 MeV/$c$. Este enfoque utiliza un anillo de almacenamiento compacto de 66 cm de diámetro con un campo magnético de 3 T, eliminando la necesidad de campos eléctricos que introducen sesgos sistemáticos. Un componente crítico de esta configuración es un detector de seguimiento completo diseñado para reconstruir positrones de la desintegración de muones dentro de un volumen de 290 mm de radio y 400 mm de altura.

El desafío principal abordado en este trabajo es la extrema tasa de impacto instantánea esperada durante la adquisición de datos. Cerca de la órbita del haz de muones, el flujo de positrones de desintegración crea una densidad espacial de 15 MHz/cm², lo que resulta en una tasa de impacto máxima de 1.4 MHz por tira de sensor. Bajo estas condiciones, la acumulación de señales (pileup) en la electrónica de la etapa frontal analógica puede provocar la pérdida de señales de impacto, causando potencialmente fallos en la reconstrucción de trayectorias. El experimento requiere un detector capaz de mantener una alta eficiencia de detección a pesar de estas condiciones de alta tasa.

Metodología
Para abordar estos requisitos, los autores desarrollaron un módulo de detector de tipo "quarter vane" (paleta de un cuarto), que sirve como la unidad más pequeña del sistema de seguimiento radial. El módulo consiste en:

• Sensores: Cuatro sensores de tiras de silicio de tipo p-on-n de una sola cara (Hamamatsu S13804) con un paso de tira de 190 $\mu$m y una longitud de tira de 48.365 mm, dispuestos sobre un armazón de vidrio-epoxi.
• Electrónica de Etapa Frontal: ASICs personalizados (SliT128D) que cuentan con 128 canales cada uno, equipados con amplificadores de conformado CR-RC (ancho de pulso < 100 ns) y diferenciadores para la corrección de tiempo de caminata (time-walk). El sistema opera a una tasa de muestreo de 200 MHz.
• Lectura: Una placa basada en FPGA (FRBS) que utiliza el protocolo SiTCP para la transmisión de datos.

El rendimiento de este módulo fue evaluado mediante una prueba de haz de muones en la línea H del J-PARC MLF dentro de la configuración experimental MuSEUM. Esta configuración proporcionó un haz de muones pulsado de alta intensidad (aprox. $1 \times 10^8$ $\mu^+$/s) con una estructura de doble ráfaga, simulando el entorno de alta tasa relevante para el experimento $g-2$/EDM. La evaluación se centró en:

1. Caracterización de Ruido: Medición de la carga de ruido equivalente (ENC) y optimización de los cortes de Tiempo sobre Umbral (ToT) para rechazar el ruido no relacionado con el haz.
2. Capacidad de Tasa de Impacto: Análisis del espectro temporal de los impactos de señal para cuantificar la pérdida de eficiencia debido al pileup. La ventana de análisis se estableció en 20 $\mu$s comenzando 400 ns después de la llegada de la segunda ráfaga de muones. El espectro temporal observado se ajustó con un modelo que incorpora un término de pérdida de eficiencia proporcional a la tasa de impacto.

Contribuciones Clave y Resultados
El artículo presenta el diseño, la construcción y la validación del rendimiento del módulo de detector de tiras de silicio. Los hallazgos clave incluyen:

• Rendimiento de Ruido: La carga de ruido equivalente se midió en un promedio de 0.200 fC (aprox. 1/18 de la carga de un MIP), confirmando que el ruido electrónico es insignificante en comparación con la señal. Se estableció un corte de ToT de > 20 ns, obteniendo una relación señal-ruido superior a $9 \times 10^4$ manteniendo una eficiencia de señal > 90%.
• Caracterización de Pileup: El estudio demostró que la pérdida de impactos de señal debido al pileup es aproximadamente proporcional a la tasa de impacto.
• Eficiencia a la Tasa Objetivo: A la tasa de impacto máxima esperada del experimento de 1.4 MHz por tira, la pérdida máxima de eficiencia medida es del 10%.
• Impacto en la Reconstrucción: Dado que el número esperado de impactos de las trayectorias de momento de la señal (200–275 MeV/$c$) es de aproximadamente 50, los autores estiman que una pérdida de impacto del 10% tiene un impacto insignificante en la eficiencia general de la reconstrucción de trayectorias.

Significancia
El artículo concluye que el módulo de detector de tiras de silicio desarrollado satisface los estrictos requisitos de rendimiento del experimento de muones $g-2$/EDM en J-PARC. Al demostrar con éxito una pérdida de eficiencia del 10% a la tasa de impacto objetivo de 1.4 MHz, el módulo demuestra ser capaz de soportar las condiciones de alto pileup inherentes al diseño del experimento. Esta validación es esencial para asegurar la reconstrucción fiable de las trayectorias completas de los positrones, lo cual es fundamental para la precisión de las mediciones de $g-2$ y EDM. El trabajo confirma que la combinación de electrónica de etapa frontal de conformado rápido y la geometría específica de los sensores puede operar eficazmente en el entorno de alto flujo del anillo de almacenamiento de J-PARC.