Transcript MICEのためのSci-Fi検出器の開発

MICEのためのSci-fi検出器の開発
大阪大学大学院理学研究科
修士課程１年
坂本 英之
大阪大理(A) 青木正治 石井純子 久野良孝 坂井淳 佐藤朗
中丘末広 中原健吾 前田文孝 松島朋宏 松宮亮平
高エ研(B) 五十嵐洋一 吉村浩司 横井武一郎
目次
イントロダクション

Neutrino FactoryとMICE

MICE用飛跡検出器(Sci-fiトラッカー)
ビームテスト ～３HFファイバーの性能評価～

セットアップ

解析および結果
まとめ
Neutrino Factory
大強度・高エネルギー・高純度のニュートリノビーム
 日本、ヨーロッパ、アメリカで計画中
 ニュートリノ生成反応
μ→e νν
19 ～1021 muon decays per year
 強度：10
 ビームエネルギーＥν：最大 50 GeV
Neutrino Factoryでの物理
 ニュートリノ振動実験, 深非弾性散乱実験(DIS)
Cooling !
ヨーロッパ方式
効率よくミューオンを加速
させるためにミューオンビ
ームのエミッタンスを小さ
くする(cooling)必要があ
る
MICE(Muon
Ionization Cooling Experiment)
イオン化冷却法

ビーム冷却法のひとつ

これまで実験されたことがない
Z
X
MICEによりイオン化冷却法を実証
MICE



減速材で全運動量を落とし進行
方向に加速して並行ビームにして
エミッタンスの縮小を行う
ミューオンのエネルギーＥμ＝２００ＭｅＶ
冷却前後に配置されたトラッカーでエミッタンスを測定
3段でエミッタンスを１０％減少させ１％程度の精度で測定
超伝導ソレノイド（５Ｔ）
トラッカー
[ エミッタンス測定 ]
減速材（液体水素）
ＲＦ加速空胴（２００ＭＨｚ）
日,英,米の国際共同実験
２００６年＠RAL
トラッカー
[ エミッタンス測定 ]
MICE用トラッカー
位置検出器を磁場中に置いてそこを螺旋軌道で進むビームの
飛跡を再構成することでエミッタンスを測定する
トラッカーに要求される条件

エミッタンスを0.1％程度の精度で測定する

多重散乱の効果を抑えるため各面の厚さを輻射長の0.4%程度
高周波加速空洞からの２次電子やＸ線などの高バックグラウンドの
下で安定に動作する

シンチレーティングファイバー
（Sci-Fi）トラッカーが候補のひとつ
Sci-fiトラッ
カー
ファイバーが満たす条件
Sci-Fiステーション

クロストークがないこと

光検出器へ
Sci-Fiステーションの拡大図
30cm
ファイバー径：３５０μｍ
径が小さいので発光量が少ない
クリアファイバー
各トラッカー
配置

トラッカー
端面
検出効率を上げるため
高い量子効率の光検出器を使用
→VLPC (Visible Light Photon Counter）
感度領域～500nm
２次蛍光体として３HF(3-Hydroxflavone )
をSci-fiに入れVLPCの感度領域まで波長変換
３ＨＦファイバーの使用
２次蛍光体濃度と発光量・クロストークの関係
蛍光体によって光検出器の感度波長まで波長をシフトさせる
クラッド
ポリスチレン
１次蛍光体(pT)
2次蛍光体(3HF)
コア
λ=250nm
1次蛍光
２次蛍光
350nm
520nm
VLPCの感度領域
２次蛍光体により１次蛍光が吸収される
 1次蛍光のMeanFreePath(=２次蛍光体の濃度に反比例)
～ファイバー径
クロストークの原因 発光量の減少
 2次蛍光体の濃度を上げて１次蛍光のM.F.Pを小さくさせる
３HFを使った実験＠FNAL
 3HF濃度と発光量の関係
３
 １cm のシンチレーターを使用
→350μm径のファイバーで光量・クロストークについてチェック
ビームテスト@



KEK-PS pi2
使用したファイバー： Kuraray SCSF-3HF
径：0.35mm, マルチクラッド, S-型

Standard primary(pT) + 3HF(2500ppm)

Standard primary + 3HF(3500ppm)

Standard primary + 3HF(5000ppm)

3HF(5000ppm) only
測定項目（４種類のファイバー）

平均光電子数

クロストーク
使用した光検出器： Hamamatsu R7899MOD

緑色に感度領域をもつ
セットアップ（Sci-Fi）
ファイバー一本毎に黒紙をはさんでいった
22mm
20本
Sci-Fi
アルミナイズドマイラー
PMT
20 fibers in 22 mm
セットアップ (カウンター)
TOF２
TOF1
D2 （８cm×８cm）
（10cm×10cm）
D1 Sci-Fi
（1cm×1cm）
（1cm×1cm）
beam
暗箱
4970mm
550mm
Trigger＝全カウンターのcoincidence
取得したデータ
Sci-Fi
D1
D2
全てのADC・TDC
3080mm
TOF2
ビームライン
解析
～平均光電子数の評価～
以下の関数でSci-FiのADCスペクトルをフィットし、平均光電子数μを求めた
15
Fit_func(x
)  N  Poisson ( n ,μ)  func _ np .e ( x, m n ,  n )
 e
n
n 1
Poisson ( n ,μ) 

n!
func _ np .e (x, m n ,  n )
：光電子数nの確率分布(ポアソン分布)
：ＰＭＴで増倍された電子の数分布
40

 Poisson
( i , n  gain _ 1st )  Gaussian (x, n  m １ ,
n １ )
Ｘ：ADC値
Ｎ：規格化定数
n : 光電子数
μ : 平均光電子数
m n:ｎの時のＡＤＣ値
σｎ:ｎの時のシグマ
α：ADC値のスケール因子
Free parameterは
N, μ, αの３つ！
イベント数
i 1
較正により決める
べき関数
1p.e.測定より決定する！
1p.e
2p.e
3p.e
4p.e
ADC値
１photo-electron測定
測定方法
ＬＥＤからの光をＮＤfilterを通して1.p.e.が光見える程度まで
光量を落としてＡＤＣスペクトルを測定した
フィッテング関数
10
イベント数
func _ 1p .e (x, m 1 ,  1 ) 
 Poisson
( i , gain _ 1st )  Gaussian (x, m １ ,  １ )
i 1
gain_1st = 4.4
m1= 10.5
σ１= 4.95
Fit_func(x)に入れフィッティング
ADC値
平均光電子数)
結果Ⅰ
～平均光電子数～
ｐT + 3HF(5000)
ｐT + 3HF(3500)
ｐT + 3HF(2500)
only 3HF(5000)
0.6GeV/c proton
0.7GeV/c proton
1.0GeV/c proton
dE/dX(MeV/cm)
 この中ではｐT+5000ppmが最も光量が多い
 1次蛍光体なし・・ありと比べ40％の光量減
クロストーク測定
 ファイバー2本毎に縛り黒紙をはさんだ
 このデータと先の1本間隔のデータの差が
クロストークによるもの
平均光電子数
結果Ⅱ ～クロストーク～
ｐT
＋5000ppm
ｐT
＋3500ppm
ｐT
＋2500ppm
only
5000ppm
2本毎
１本毎
dE/dX(MeV/cm)
 誤差の範囲内でクロストークは見られなかった
まとめ
Neutrino Factoryの実現にはビームのエミッタンスを小さくする必
要があり、その方法としてイオン化冷却法がある。
MICEによりイオン化冷却法によるビームエミッタンス縮小の実証を
行う。この冷却効果を調べるため、Sci-Fiトラッカーの使用が検討
されている。
Sci-Fiトラッカーとして用いる３ＨＦファイバーの性能をビームテ
ストを行って評価した。
 用意したファイバー： pT+5000ppm, pT+3500ppm, pT+2500ppm,
only5000ppm
 ファイバーの光量: pT+5000ppmが最も光量が多かった
2 [email protected] → VLPCでの検出効率はほぼ100%
 クロストークの有無:
誤差範囲内でクロストークはなかった
今後の予定
プロトタイプ(3ステーション)の完成
プロトタイプで宇宙線テスト（１０月＠FNAL）
検出効率, 位置分解能の評価
高周波加速空洞からのバックグラウンドの下で動作確認
MICE用トラッカーの選択（１０月末）