Transcript Beam Catcher

KOPIO実験のための中性子不感型光子検出器の設計
森井 秀樹
Contents
2004/02/03

KOPIO実験

Beam Catcherとは

Prototype を用いた原理テスト

シミュレーションによるBeam Catcherの設計

最終デザインでの性能評価

まとめ
1
KOPIO実験
KOPIO実験の物理と目的
KOPIO：KL→π0νν測定実験
目的



小林･益川行列の複素パラメータ決定
Br(KL→π0νν)∝η2 ～3×10-11(SM)
－CP非保存を特徴づける
－理論的不定性の少ない
スーパークリーンモードの一つ

K系とB系でのユニタリ三角形の比較
→標準模型を超える物理？
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2
KOPIO実験
KOPIO実験のConcept

イベントの同定
KL→π0νν
→2γ
「π0からの2γ」 かつ 「他は無し」


Goal
40 events (S/N：2)
Background
KL→2π0 →γγγγ
崩壊領域を完全に覆うveto
KLのTOF
“microbunch” beam
(25MHz、width 200ps)
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2γのreconstruct
光子の
位置、エネルギー、
角度、時間
を測定
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KOPIO実験
KOPIO Detector
Beam Catcher
中性ビーム中の
γ線veto検出器
KLのTOF
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Beam Catcher
Beam Catcherとは

ビームホールを覆うγ線veto検出器


Background ：KL→2π0 →4γ
要求される性能

光子に対しては高検出率
―

ビーム中に大量にある中性子に対して不感
―

300MeVのγに対して98%以上
0.8GeVの中性子に対して0.2%以下
デザイン

エアロジェルチェレンコフ型カウンタ
→ハドロン反応で生成する低速粒子に対して不感

モジュールを多数配置し、ビーム方向に
Coincidenceをとる
→中性子からのBackgroundを落とす
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Prototypeによる原理テスト
Beam Catcher Prototype

目的



Cherenkov発光量
ハドロン反応
→これらがシミュレーションの予測
と一致するか？
Beam Test

KEK PS T1 ビームラインでテスト
2mmt
11mmt×5枚
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Prototypeによる原理テスト
Beam testの結果1:発光量の評価

Cherenkov発光量測定

光電子数

γ線(or電子)の代わりにπ+を使用
測定結果
4モジュールでの光電子数
1/β2依存性
シミュレーションの0.89倍
15%程度のばらつき
屈折率は一致
π0運動量(GeV/c)
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Prototypeによる原理テスト
Beam testの結果2：ハドロン反応測定

ハドロン反応測定


中性子の代わりに陽子を使用
陽子検出効率

ガスシンチレーションをシミュレーションに含めるとよく一致
陽子検出効率の運動量依存性
ほぼ一致
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シミュレーションによるBeam Catcherの設計
Beam Catcher設計 ─ 目的

設計の指標

プロトタイプの約２倍のサイズ
―

約500モジュールを分散配置
―

量産が容易であること
光学系の設計
―
―

均一かつ高い光子検出効率を持つこと
均一で高い集光率
シンプルなデザイン
分散配置での最適化
―
―
―
―
エアロジェル屈折率
コンバータ配置
レイヤー数
検出条件
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シミュレーションによるBeam Catcherの設計
Beam Catcherの設計 ─ 光学系の設計

“Base Design”
―
―

平面鏡 + Winston coneファネル
+ 5インチPMT
平均集光率約23%
Top-and-Bottom型
―
―

Base Design
集光率
Base designの約1.35倍
欠点
費用が約2倍
2軸パラボラ型
集光率
Base designの約1.7倍
― 欠点
光学系が複雑
→量産性を考慮して“Base-design”を採用
―
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Top-and-Bottom
2軸パラボラ
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シミュレーションによるBeam Catcherの設計
Beam Catcherの設計 ─ 配置のパラメータと検出条件

鉛コンバータ配置
基本デザイン

屈折率
―
―

鉛コンバータ配置
―

各層2mmの配置が最適
ビーム方向レイヤー数
―

屈折率を高めると低速粒子に対して感度
→中性子不感性は?
1.03と1.05で中性子不感性はほとんど同じ
25層必要
検出条件
検出条件
―
―
コインシデンスに参加するモジュール
直後1層の2モジュールの和を使用
検出の閾値
前段:後段 = 2:1が最適
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後段1層
後段2層
後段3層
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Beam Catcher性能評価
最終デザインでの性能評価 ─ 最終デザイン

Beam Catcherの最終デザイン

モジュールサイズ
―

各層2mm厚
モジュール数
―

高透過率エアロジェルIY-46 ←光量増加によって光子検出効率を高めるため
透過率 82% @ 470nm (従来品 68% @ 470nm)
鉛コンバータ
―

Base-design (平面鏡 + Winston coneファネル + 5インチPMT)
エアロジェル
―

←鉛直方向にアクセプタンスを持たせるため
光学系
―

30cm×30cm
従来のエアロジェル
SP-50
高透過率エアロジェル
IY-46
横方向14/15×ビーム方向25層
検出条件
―
前段4pe以上、かつ
後段2モジュールの和2pe以上
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Beam Catcher性能評価
最終デザインでの性能評価 ─ 光子検出効率

光子検出効率

入射位置依存性
―
鉛直方向が問題
←電磁シャワーが上下に漏れる
―
鉛直方向±10cmでほぼ均一

エネルギー依存性
鉛直±10cmの範囲で
99% @ 300 MeV
→要求を十分満たす
ビーム領域
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Beam Catcher性能評価
最終デザインでの性能評価 ─ 中性子不感性

中性子検出効率

エネルギー依存性

0.3% @ 0.8 GeV
→要求をやや上回る
中性子によるFalse veto確率
検出数 : 0.37イベント/マイクロバンチ
On-timing条件 3ns/24ns
→false vetoの確率 : 4.5 %
→要改善 : 時間分解能の向上など
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Summary
Summary


KOPIO実験 : KL→π0νν測定実験
Beam Catcher


プロトタイプを用いた性能評価



Cherenkov発光量
― シミュレーションの0.89倍
ハドロン不感性
― ガスシンチレーションを含めるとシミュレーションと一致
実機の設計



中性子に対して不感な光子検出器 →エアロジェルチェレンコフ検出器を分散配置
光学系
― 平面鏡 + Winston cone型ファネル + 5インチPMT
配置
― 鉛配置、検出条件を最適化
最終デザインでの性能評価


光子検出効率 : 99% @ 300MeV : 十分要求を満たす
中性子不感性 : 0.3% @ 0.8 GeV : 要求をやや上回る→時間分解能の向上など必要
→概ね要求を満たすデザインを確立
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Summary
Summary

今後 – 量産に向けて

エアロジェルの品質管理システムの開発
―
―


エアロジェル透過率測定
Cherenkov発光量測定
実機サイズのプロトタイプによる性能評価
量産・インストール
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Beam Catcher性能評価
最終デザインでの性能評価 ─ KL不感性

KLに対する検出効率

運動量依存性
0.14% @ 1GeV/c
崩壊によるγ線が検出の原因
―
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
KLによるFalse veto確率
検出数 : 0.24イベント/マイクロバンチ
On-Timing条件 3ns/24ns
→false veto確率3.0%
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