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

Technische Samenvatting: Hit-rate Capaciteit van een Silicon Strip Detector Module voor het J-PARC Muon $g-2$/EDM Experiment

Probleemstelling
Het J-PARC muon $g-2$/EDM experiment beoogt de anomale magnetische moment van het muon en het elektrische dipoolmoment te meten met behulp van een unieke techniek die gebruikmaakt van een thermische muonstraal die wordt versneld naar 300 MeV/$c$. Deze aanpak maakt gebruik van een compacte opslagring met een diameter van 66 cm en een 3 T magnetisch veld, waardoor de noodzaak voor elektrische velden die systematische biases introduceren, wordt geëlimineerd. Een cruciaal onderdeel van deze opstelling is een volledige tracking-detector ontworpen voor het reconstrueren van positronen uit muonverval binnen een volume van 290 mm straal en 400 mm hoogte.

De primaire uitdaging die in dit werk wordt aangepakt, is de extreem hoge instantane hit-rate tijdens de data-acquisitie. Nabij de baan van de muonstraal creëert de flux van vervalpositronen een ruimtelijke dichtheid van 1s 15 MHz/cm², wat resulteert in een maximale hit-rate van 1,4 MHz per sensorstrip. Onder deze omstandigheden kan signaalstapeling (pileup) in de analoge front-end elektronica leiden tot het verlies van hit-signalen, wat potentieel kan leiden tot defecten in de track-reconstructie. Het experiment vereist een detector die in staat is om een hoge detectie-efficiëntie te behouden ondanks deze hoge-rate condities.

Methodologie
Om aan deze vereisten te voldoen, hebben de auteurs een "quarter vane" detector module ontwikkeld, die dient als de kleinste eenheid van het radiale trackingsysteem. De module bestaat uit:

• Sensoren: Vier enkelzijdige p-on-n silicon strip sensoren (Hamamatsu S13804) met een strip-pitch van 190 $\mu$m en een strip-lengte van 48,365 mm, gerangschikt op een glas-epoxy frame.
• Front-end Elektronica: Custom ASICs (SliT128D) met elk 128 kanalen, uitgerust met CR-RC shaping versterkers (pulsbreedte < 100 ns) en differentiators voor time-walk correctie. Het systeem werkt op een bemonsteringssnelheid van 200 MHz.
• Readout: Een FPGA-gebaseerde printplaat (FRBS) die gebruikmaakt van het SiTCP-protocol voor datatransmissie.

De prestaties van deze module werden geëvalueerd met behulp van een muonstraal-test bij de J-PARC MLF H-line binnen de MuSEUM experimentele opstelling. Deze opstelling bood een hoog-intensieve gepulseerde muonstraal (ongeveer $1 \times 10^8$ $\mu^+$/s) met een dubbele-bunch structuur, die de hoge-rate omgeving die relevant is voor het $g-2$/EDM experiment simuleert. De evaluatie richtte zich op:

1. Ruiskarakterisering: Het meten van de equivalente ruis-lading (ENC) en het optimaliseren van Time-over-Threshold (ToT) cuts om niet-straal gerelateerde ruis te verwerpen.
2. Hit-Rate Capaciteit: Het analyseren van het tijd-spectrum van signaal-hits om efficiëntieverlies door pileup te kwantificeren. Het analysevenster werd ingesteld op 20 $\mu$s beginnend 400 ns na de aankomst van de tweede muon-bunch. Het geobserveerde tijd-spectrum werd gefit met een model dat een efficiëntieverlies-term bevat die proportioneel is aan de hit-rate.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten
Het artikel presenteert het ontwerp, de constructie en de prestatievalidatie van de silicon strip detector module. Belangrijkste bevindingen zijn onder meer:

• Ruisprestaties: De equivalente ruis-lading werd gemeten op een gemiddelde van 0,200 fC (ongeveer 1/18 van een MIP-lading), wat bevestigt dat elektronische ruis verwaarloosbaar is vergeleken met het signaal. Er werd een ToT-cut van > 20 ns vastgesteld, wat een signaal-ruisverhouding van groter dan $9 \times 10^4$ opleverde terwijl de signaal-efficiëntie boven de 90% bleef.
• Pileup Karakterisering: De studie toonde aan dat signaal-hitverlies door pileup ongeveer proportioneel is aan de hit-rate.
• Efficiëntie bij de Doel-rate: Bij de verwachte maximale hit-rate van het experiment van 1,4 MHz per strip, is het gemeten maximale efficiëntieverlies 10%.
• Impact op Reconstructie: Gegeven dat het verwachte aantal hits van signaal-momentum tracks (200–275 MeV/$c$) ongeveer 50 is, schatten de auteurs dat een verlies van 10% in hits een verwaarloosbare impact heeft op de algehele track-reconstructie-efficiëntie.

Betekenis
Het artikel concludeert dat de ontwikkelde silicon strip detector module voldoet aan de strikte prestatie-eisen van het J-PARC muon $g-2$/EDM experiment. Door succesvol een efficiëntieverlies van 10% aan te tonen bij de doel-hit-rate van 1,4 MHz, bewijst de module in staat te zijn de hoge pileup-condities die inherent zijn aan het ontwerp van het experiment te weerstaan. Deze validatie is essentieel voor het waarborgen van de betrouwbare reconstructie van volledige positron-tracks, wat fundamenteel is voor de precisie van de $g-2$ en EDM metingen. Dit werk bevestigt dat de combinatie van snelle shaping front-end elektronica en de specifieke sensor-geometrie effectief kan opereren in de hoog-flux omgeving van de J-PARC opslagring.