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

Resumo Técnico: Capacidade de Taxa de Acerto de um Módulo de Detector de Tiras de Silício para o Experimento J-PARC Muon $g-2$/EDM

Definição do Problema
O experimento J-PARC muon $g-2$/EDM visa medir o momento magnético anômalo e o momento de dipolo elétrico do múon utilizando uma técnica única que envolve um feixe de múons térmicos acelerados a 300 MeV/$c$. Esta abordagem utiliza um anel de armazenamento compacto de 66 cm de diâmetro com um campo magnético de 3 T, eliminando a necessidade de campos elétricos que introduzem vieses sistemáticos. Um componente crítico desta configuração é um detector de rastreamento completo projetado para reconstruir pósitrons da decaimento do múon dentro de um volume de 290 mm de raio e 400 mm de altura.

O principal desafio abordado neste trabalho é a taxa de acerto instantânea extrema esperada durante a aquisição de dados. Próximo à órbita do feixe de múons, o fluxo de pósitrons de decaimento cria uma densidade espacial de 15 MHz/cm², resultando em uma taxa de acerto máxima de 1,4 MHz por tira do sensor. Sob estas condições, o empilhamento de sinais (pileup) no front-end analógico da eletrônica pode levar à perda de sinais de acerto, podendo causar falhas na reconstrução de trajetórias. O experimento requer um detector capaz de manter uma alta eficiência de detecção, apesar destas condições de alta taxa.

Metodologia
Para abordar estes requisitos, os autores desenvolveram um módulo de detector "quarter vane", que serve como a menor unidade do sistema de rastreamento radial. O módulo consiste em:

• Sensores: Quatro sensores de tiras de silício p-on-n de face única (Hamamatsu S13804) com um passo de tira de 190 $\mu$m e comprimento de tira de 48,365 mm, dispostos em uma estrutura de vidro-epóxi.
• Eletrônica Front-end: ASICs customizados (SliT128D) apresentando 128 canais cada, equipados com amplificadores de modelagem CR-RC (largura de pulso < 100 ns) e diferenciadores para correção de time-walk. O sistema opera a uma taxa de amostragem de 200 MHz.
• Leitura: Uma placa baseada em FPGA (FRBS) utilizando o protocolo SiTCP para transmissão de dados.

O desempenho deste módulo foi avaliado usando um teste de feixe de múons no J-PARC MLF H-line dentro da configuração experimental MuSEUM. Esta configuração forneceu um feixe de múons pulsado de alta intensidade (aprox. $1 \times 10^8$ $\mu^+$/s) com uma estrutura de duplo pacote (double-bunch), simulando o ambiente de alta taxa relevante para o experimento $g-2$/EDM. A avaliação focou em:

1. Caracterização de Ruído: Medição da carga de ruído equivalente (ENC) e otimização dos cortes de Tempo-sobre-Limiar (ToT) para rejeitar ruídos não provenientes do feixe.
2. Capacidade de Taxa de Acerto: Análise do espectro temporal de acertos de sinal para quantificar a perda de eficiência devido ao pileup. A janela de análise foi definida em 20 $\mu$s começando 400 ns após a chegada do segundo pacote de múons. O espectro temporal observado foi ajustado com um modelo incorporando um termo de perda de eficiência proporcional à taxa de acerto.

Principais Contribuições e Resultados
O artigo apresenta o design, construção e validação de desempenho do módulo de detector de tiras de silício. As principais descobertas incluem:

• Desempenho de Ruído: A carga de ruído equivalente foi medida em uma média de 0,200 fC (aprox. 1/18 da carga de um MIP), confirmando que o ruído eletrônico é negligenciável em comparação ao sinal. Um corte de ToT > 20 ns foi estabelecido, obtendo uma razão sinal-ruído superior a $9 \times 10^4$ enquanto mantinha > 90% de eficiência de sinal.
• Caracterização de Pileup: O estudo demonstrou que a perda de acerto de sinal devido ao pileup é aproximadamente proporcional à taxa de acerto.
• Eficiência na Taxa Alvo: Na taxa de acerto máxima esperada do experimento de 1,4 MHz por tira, a perda de eficiência máxima medida é de 10%.
• Impacto na Reconstrução: Dado que o número esperado de acertos das trajetórias de momento de sinal (200–275 MeV/$c$) é de aproximadamente 50, os autores estimam que uma perda de acerto de 10% tem um impacto negligenciável na eficiência global de reconstrução de trajetória.

Significância
O artigo conclui que o módulo de detector de tiras de silício desenvolvido satisfaz os rigorosos requisitos de desempenho do experimento J-PARC muon $g-2$/EDM. Ao demonstrar com sucesso uma perda de eficiência de 10% na taxa de acerto alvo de 1,4 MHz, o módulo prova ser capaz de suportar as condições de alto pileup inerentes ao design do experimento. Esta validação é essencial para garantir a reconstrução confiável de trajetórias completas de pósitrons, o que é fundamental para a precisão das medições de $g-2$ e EDM. O trabalho confirma que a combinação de eletrônica front-end de modelagem rápida e a geometria específica do sensor pode operar efetivamente no ambiente de alto fluxo do anel de armazenamento J-PARC.