Transcript オルソポジトロニウムの寿命測定による束縛系QEDの精密検証

日本物理学会 第60回年次大会 東京理科大学野田キャンパス
2005.3.27
オルソポジトロニウムの寿命測定に
よる束縛系QEDの精密検証
東大素粒子センター 片岡洋介
浅井祥仁、小林富雄、田中純一
イントロダクション
• 束縛系
– 高次輻射補正の扱いが難しく、未だ一般的な計算手法が確立せず
– しかし近年、色々な計算手法が提案されている
– これらは実験的に検証しなければならない
• オルソポジトロニウム（o-Ps）が最も有効なプローブ
– 純粋にレプトンの系 (e+e-の束縛状態)、
ハドロンのような強い力に伴う不定性がない
– 寿命の直接測定が可能 寿命約142ns
– O(α2)の計算が提案された手法で
実際に行われている
 240ppmのO(α2)の補正を精密検証する
ことが本実験の目的
現在の状況
• 70、80年代
– o-Psの寿命問題
理論計算とのsystematicなズレ
• 90年代
– 東大グループの実験で解決
o-Psの熱化過程の取り扱いが
不適切であった
• 2000年代
– ミシガン大もこれを認める
• 現在の実験精度 約200ppm
– O(α)の補正(約2%)は十分に検証された
– O(α2)の補正(240ppm)を検証する
さらに精密な測定が必要(60ppm程度)
Phys.Lett 572 117（2001）
オルソポジトロニウムの寿命測定
• 3γに崩壊
e+線源
γ
ターゲット
（ガス、シリカ）
o-Ps生成
γ
γ
• pick-off
Δt
γ
o-Ps
時間差Δtを直接測定
物質(ターゲット)
γ
pick-offイベントの正確な取り扱いが実験のカギ
• 東大グループのアプローチ
– Ge検出器でエネルギースペクトルを測る
– モンテカルロの3γスペクトルをnormalize
 比を直接測定(時間依存性をもつ)
– 熱化過程を考慮した正確な測定が可能
エネルギースペクトル(2001)
2001年(前回)の実験
実験精度 200ppm の内訳
崩壊時間スペクトル(2001)
• 統計エラー (170ppm)
シンチ(NaI)の統計
 10～20倍の統計で50ppm以下
• systematic エラー(150ppm)
– 主な寄与はモンテカルロのnormalization
に伴う不定性 110ppm
Geの統計
 10～20倍の統計で50ppm以下
 前回の10～20倍の高統計な測定システムを構築する
実験のセットアップ
• 現在、より高統計なセットアップを準備中
– 速いシンチの導入
– 線源周りの改良  Ps生成の効率化
– DAQの高速化 2.5kHz
Ge 3台、シンチ(YAP) 4台
準備中
Ge検出器
空調
D 6cm
±0.5℃
YAPシンチ
5cm*5cm*3.3cm
線源
検出器
真空容器
エレキ
PC
D 6cm
線源
プラシン(トリガー)
シリカ
速い無機シンチの評価
速い無機シンチ
• 時間分解能の向上
• pile upを抑える
 この分、rateを上げることができる
シンチ波形(FADC)
NaI
log scale
 NaI (前回) τ= 230ns、Z=53
 比較的長いdecay time
ns
log
 GSO τ= 60ns、Z=64(Gd)
 遅い成分(300ns)が比較的大きい～10% log
 YLSO τ= 40ns、Z=71(Lu)、遅い成分がない
 176Luのβ崩壊 (LSO 1g当たり80Bq)
 YAP(YAlO3) τ= 30ns、Z=39(Y)、光量45%
 遅い成分は%程度、採用
log
GSO
ns
YLSO
ns
YAP
※YLSO,YAPサンプル KEK小林正明氏提供
※GSOサンプル 東大牧島研究室提供
ns
YAPシンチレータの導入
タイミングスペクトラム
• 時間分解能の向上
σ = 400ps (NaI～2ns)
＠511keV
• pile-upを抑える
1結晶あたりhit rate 約3倍(3.5kHz)にする
 線源強度約10倍(0.4μCi)の高統計な測定が可能になる
• 安定な物性
潮解性のない、非常に硬い結晶。
YAP結晶サンプル(D25mm)
線源周り
• トリガー
2001年のセットアップ
– e+線源を薄いプラシンで挟む
– アルミナイズドマイラーのコーンで光を
収集
• e+線源
前回 22Na Emax=545keV
– 8割程度プラシン(100μm)中で対消滅
今回 68Ge Emax=1.9MeV を採用
 Geant4によるoptimize
– プラシン200μm
– 2割程度プラシン(200μm)中で対消滅
– 3割が有効(シリカ中でPs生成)
– 半数はシリカを抜けビーカーに達する
1/2PMT
フランジ
アルミナイズドマイラー
線源周り(今回)
今回のセットアップ
• anti-trigger
½インチPMT
1インチPMT
– DAQのレート2.5kHzを有効に使
うためシリカを抜けるイベントは
トリガーを出さない
ライトガイド
– 円筒状のプラシン(1mm)を用い、
ビーカーの手前で捕らえる
– 1インチPMT×2で読み出し
 統計にして2～3倍の向上
• シリカエアロジェル
プラシン
(1mm)
68Ge
フランジ
PMT×3
プラシン
(200μm)
e+
シリカエアロジェル
ライトガイド
プラシン(1mm)
– パウダーは密度のコントロール
が難しい
– 0.03g/cm3のエアロジェルを採用
エアロジェル
ビーカー
まとめと展望
• 束縛系QED O(α2)の補正(o-Psでは約240ppm)を精密検証
する実験を行っている
• 東大グループの従来の測定と比べ、10～20倍の高統計な
測定を可能にするセットアップを準備中
• 来年度、約半年のrunで統計エラー50ppm以下、
systematicエラーもこれ以下に抑える