Development of Fine-pitch Silicon Strip Detector for Precise CP Violation Measurement in B Meson Decays

本研究は、超高輝度加速器を用いた素粒子フレーバー物理実験であるBelle II実験において、将来の加速器性能向上を見据えたシリコン崩壊点位置検出器のアッ プグレード計画として、薄型挟ピッチの両面読み出しシリコンストリップ検出器を新たに開発することが目的となる。この研究目的のために、厚み150um以下・ス トリップピッチ50umを持つセンサー、およびノイズ1000e-以下・信号時間幅60ns程度の読み出しASICの開発が目標となる。２０２１年度は読み出しASIC試作品の性能評価試験を行なった。まずは性能評価のための試験基板を設計・開発した。加えて、市販のFPGA評価基板を用いて試験基板とPCとの間を仲介しSNAP128の制御とデータ収集を担う回路を開発し、このファームウェアの設計を行なった。これにより、PCによる読み出しASICのシェーパー出力波形・ゲイン・ノイズ測定を可能にした。測定した結果から、波形成形後の信号時間幅はシミュレーションでの予想とほぼ一致しており、約60nsであることを確認した。測定された時間幅は要求値を満たしている。一方、ゲインに相当する波高はシミュレーションの70%程度となっていることを確認した。こちらは検出器での運転には許容範囲内である。さらにゲイン・ノイズの検出器容量依存性も測定した。検出器容量として想定されるのは約15pFである。ゲインはシェーパー出力波形の結果で示したようにシミュレーションに対して約70％となっている。ノイズの結果は、検出器容量が15pFのもので、約1200e-となった。これはまだ要求値1000e-を満たしていない。ノイズの改善策としては、１つ目に評価基板の配線上の寄生容量の理解があげられる。これにより検出器容量を過小評価していると思われる。２つ目にシェーパー時定数やセンサーサイズ（ストリップ長）を変更することも検討する。

本研究は、超高輝度加速器を用いた素粒子フレーバー物理実験であるBelle II実験において、将来の加速器性能向上を見据えたシリコン崩壊点位置検出器のアッ プグレード計画として、薄型挟ピッチの両面読み出しシリコンストリップ検出器を新たに開発することが目的となる。この研究目的のために、厚み150um以下・ス トリップピッチ50umを持つセンサー、およびノイズ1000e-以下・信号時間幅60ns程度の読み出しASICの開発が目標となる。２０２１年度は読み出しASIC試作品の性能評価試験を行なった。まずは性能評価のための試験基板を設計・開発した。加えて、市販のFPGA評価基板を用いて試験基板とPCとの間を仲介しSNAP128の制御とデータ収集を担う回路を開発し、このファームウェアの設計を行なった。これにより、PCによる読み出しASICのシェーパー出力波形・ゲイン・ノイズ測定を可能にした。測定した結果から、波形成形後の信号時間幅はシミュレーションでの予想とほぼ一致しており、約60nsであることを確認した。測定された時間幅は要求値を満たしている。一方、ゲインに相当する波高はシミュレーションの70%程度となっていることを確認した。こちらは検出器での運転には許容範囲内である。さらにゲイン・ノイズの検出器容量依存性も測定した。検出器容量として想定されるのは約15pFである。ゲインはシェーパー出力波形の結果で示したようにシミュレーションに対して約70％となっている。ノイズの結果は、検出器容量が15pFのもので、約1200e-となった。これはまだ要求値1000e-を満たしていない。ノイズの改善策としては、１つ目に評価基板の配線上の寄生容量の理解があげられる。これにより検出器容量を過小評価していると思われる。２つ目にシェーパー時定数やセンサーサイズ（ストリップ長）を変更することも検討する。