Long-term performance of non-ALD MCP-PMTs in the high-radiation environment of ALICE

ヨーロッパの中心部、フランスとスイスの国境の下に、大型ハドロン衝突型加速器として知られる巨大な装置があり、そこでは粒子が光速に近い速度で衝突しています。これらの衝突が起こると、新しい粒子のシャワーが発生し、あらゆる方向に飛び散ります。宇宙の基本構成要素を理解するために、科学者たちはこれらの束の間の断片を捉え、極めて精密に測定しなければなりません。最も重要な任務の一つは、衝突が正確にいつ起こったかを決定することです。もしタイミングがわずかな時間でもずれてしまうと、データはぼやけてしまい、衝突の物語は失われてしまいます。これを解決するために、加速器における主要な検出器の一つであるALICE実験では、高速ストップウォッチとして機能するように設計された特殊なシステムを使用しています。このシステムは、電荷を持つ粒子が透明な物質中を、その物質中における光の速度よりも速く移動するときに発生する「チェレンコフ効果」と呼ばれる現象を利用しています。これにより、音速を超える際に発生するソニックブームの光版のような、かすかな青い光のフラッシュが生じます。このフラッシュを感度の高いカメラで捉えることで、検出器は衝突の時刻を数兆分の一秒という驚異的な精度で記録できるのです。

しかし、このような激しい環境下でこれらのカメラを動作させ続けることは、非常に困難な課題です。衝突が発生する領域は、放射線と絶え間ない粒子の流れに溢れています。センサーは、単一の光のフラッシュを検知できるほど敏感でありながら、毎秒数十億個もの粒子にさらされても摩耗することなく耐えられるほど堅牢でなければなりません。ALICEチームは最近、この任務のために選んだ特定のセンサー、すなわちマイクロチャネルプレート・フォトマルチプライヤーチューブの長期的な性能について報告しました。これらは、単一の光子を測定可能な電気信号へと増幅する数百万もの微細なガラス管で満たされた真空管です。研究者たちは、これらのセンサーが激しい使用によって時間の経過とともに劣化していくものの、動作電圧を調整することで効果的に動作させ続けられることを発見しました。さらに驚くべきことに、彼らは、機械がメンテナンスのために停止している間に、センサーには自ら回復する隠れた能力があり、人間の介入なしに失われた感度の一部を取り戻すことを発見しました。

ALICE検出器には、衝突の瞬間の最初の一瞬を監視するために、衝突点のごく近くに配置された「ファスト・インタラクション・トリガー」と呼ばれるサブシステムが備わっています。このシステムは、2つのアレイに配置された52個のこれらの特殊な光センサーを使用しています。最も内側のセンサーは最も激しい交通量に直面しており、1平方センチメートルあたり毎秒2億個の光電子に相当する光子負荷を扱います。これは、このような繊細な装置にとっては膨大な電気電流です。これに対処するため、チームは、寿命を延ばすための特別な原子コーティングを使用しない特定のバージョンのセンサーを選択しました。なぜなら、そのコーティングを使用すると、センサーが高電流に耐えられなくなるほど弱くなってしまうからです。代わりに、彼らは標準的なバージョンを使用し、それによって劣化が早まることを受け入れましたが、入念な運用を通じてその摩耗を管理できると考えていました。

数年間の運転を通じて、研究者たちはこれらのセンサーが絶え間ない爆撃の下でどのように性能を発揮したかを追跡しました。彼らは、各センサーを通過した総電気量、つまりデバイスが行った仕事量の尺度を監視しました。報告時までに、最も激しく使用されたセンサーは、1平方センチメートルあたり2クーロンの電荷を蓄積していました。予想通り、センサーは感度を失い始め、最も摩耗したユニットはかつての信号の約40パーセントしか生成しませんでした。しかし、チームはこの損失を補う単純な方法を見つけました。供給される電圧を徐々に上げることで、信号を元の強度まで高めることができたのです。決定的なことに、この調整はタイミングの精度を損なうことはありませんでした。センサーが老化し、より高い電圧で動作していても、システムは約17ピコ秒（陽子衝突の場合）および重い鉛イオン衝突の場合はさらに優れた時間分解能で、衝突を区別する能力を維持しました。これは、チームがデバイスの摩耗に合わせて電力設定を調整する用意がある限り、センサーが検出器のフォワード領域の過酷な環境を生き残れることを証明しました。

また、すべてのセンサーが同じ速度で老化するわけではないことも、この研究によって明らかになりました。等しく照らされたほとんどのセンサーはほぼ同一の速度で劣化しましたが、2つの特定のユニットは他のユニットよりもはるかに早く摩耗しました。研究者たちはこれを実験の初期段階まで遡って調査し、これら2つの急速に老化するユニットは、稼働を開始する前からすでにノイズが多いセンサーであったことを突き止めました。このことは、センサーの初期品質、具体的には背景ノイズレベルが、激しい使用下での寿命を予測する強力な指標であることを示唆しています。この発見は、環境が過酷であっても、個々のコンポーネント固有の特性がその生存において大きな役割を果たすことを科学者に理解させるものです。

おそらく最も興味深い発見は、加速器が技術的なメンテナンスのためにシャットダウンされている長い期間中に起こりました。研究者たちは、センサーが数ヶ月間暗闇の中に置かれている間、それらは単に休止しているのではなく、実際に改善していることに気づきました。これらの長期休暇の間に、劣化したセンサーは失われた感度の約8パーセントを自然に回復したのです。この自己回復は、機器や環境に何の変化も加えずに、温度が一定に保たれた状態で行われました。顕著に老化が進んでいないセンサーにはこのような回復は見られず、これは回復プロセスがセンサーが経験した摩耗と直接関係していることを示しています。チームは、それぞれ約160日間の2回のシャットダウン期間中に、このパターンを一貫して観察しました。この回復の正確な物理的メカニズムは依然として謎のままですが、その効果は実在し、測定可能です。これは、高電流によって引き起こされる損傷が完全には永久的なものではなく、材料内部が休息を与えられることで部分的に修復できる可能性を示唆しています。

この研究は、高エネルギー物理学の実験における、これらの特定のセンサーの最初の大規模な使用を記録したものです。その結果は、適切なタイプのセンサーを選択し、動作条件を管理することで、世界で最も放射線密度の高い環境の一つで高速タイミング検出器を稼働させることが可能であることを示しています。チームは、大幅な老化が進んでも、検出器が宇宙の最小の粒子を研究するために必要な精密なタイミングを維持できることを実証しました。自己回復効果の発見は、これらのデバイスの寿命に対する新たな希望を添えるものであり、加速器による摩耗が以前考えられていたほど永久的なものではない可能性を示唆しています。実験が続く中で、研究者たちは現在のランの終了時に最も劣化したセンサーを取り出し、詳細に調査することで、その回復力の背後にある秘密をようやく解明したいと考えています。それまでの間、検出器は驚異的な回復力を持って、宇宙の衝突の束の間の瞬間を捉え続けています。