Transcript 検出効率

CALET-IMCプロトタイプのCERN-SPS
による性能実証試験
早大理工研, 神奈川大工A, 横国大工B, JAXAC,
東大宇宙線研D
村田彬, 植山良貴，小澤俊介，笠原克昌，片平亮,
九反万理恵，鳥居祥二，中村政則, 仁井田多絵，
吉田圭佑，田村忠久A，片寄祐作B，清水雄輝C,
赤池陽水D,他CALETチーム
2012/9/13
日本物理学会 2012秋季大会@京都産業大学
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研究目的
フライトモデルの厚みを模擬した試作検出器による
CALET-IMCの性能評価と解析手法の確立
研究概要
CALETプロトタイプ検出器を作成し、2011年にSPS加速器にて
ビーム試験を実施
シミュレーションとの比較から以下の性能評価を行った
- 検出効率
- 粒子数分布
- シャワー横広がり
- 角度分解能
- 電子陽子選別性能
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CALET-IMC
X,Y2方向に重ねた1mm角のScintillating Fiber(SciFi) と
タングステン板(W)を交互に積層したサンプリングカロリメータ
読み出しには64チャンネルマルチアノード光電子増倍管
(64chMaPMT)を用いる
粒子の三次元的飛跡決定とシャワー初期発達の観測を行う
SciFiベルト
64ch MAPMT
32mm
448mm
20mm
ベルト状のSciFi
kuraray SCSF-78
19mm
19mm
191mm
CALET-IMC
フライトモデル構造図
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64ch MAPMT
HAMAMATSU R11824
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IMC模式図
SPS2011実験
8層目
1層目
CALET試作検出器
x層のみの構造
ビーム方向に対してフライトモデルを模擬
CHD :プラスチックシンチレータ(32×10×448mm3 ) 4枚
IMC : SciFi(1×1×448mm3 )32本×8層
SciFiベルト
タングステン(W) 0.2r.l.×5, 1r.l.×2, 合計 3r.l. W 1r.l.×2枚
W 0.2r.l.×5枚
TASC : PWO(19×20×326mm3 ) 3本×12層
ビーム粒子
ミューオン 150GeV
電子 10,30,100,150,290GeV
陽子 30,100,350GeV
CALET試作検出器側面図
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検出効率
検出効率[%]
• 検出効率 =
IMC各層で検出したイベント数
検出器をミューオンが通過したイベント数
クラッド
1mm
コア
1mm
0.96mm
1mm
SciFiベルト模式図
1mmおきに検出効率が落ちている部分がある
→SciFiのクラッド部分に相当
飛跡通過位置[cm]
IMCのある層での飛跡通過位置ごとの検出効率
IMC層番号
1
2
3
4
5
6
7
8
平均
検出効率[%]
94.5
95.0
95.9
95.0
94.5
95.8
95.6
95.5
95.2
有感領域での
検出効率[%]
98.4
99.0
99.9
99.0
98.4
99.8
99.5
99.5
99.2
各層の検出効率はSciFiの有感領域を再現
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IMC中のエネルギー損失（電子100GeV）
• IMC各層での粒子分布についてシミュレーションとの
比較を行った
Exp
Epics
Counts
IMC 各層での比較（横軸Log）
Layer1
粒子数[MIPs]
粒子数[MIPs]
Layer5
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Layer2
Layer3
Layer4
粒子数分布の違いから
検出器前方に物質が在ると推定
Layer6
Layer7
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Layer8
6
IMC中のエネルギー損失（電子100GeV）
• 粒子数分布について実験データを最も良く再現する
物質の厚さを見積もり、検出器前方に0.24r.l.のAlを加えた
Exp
Epics
Epics Al 0.24r.l.
Counts
IMC 各層での比較（横軸Log）
Layer1
粒子数[MIPs]
Layer5
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Layer2
Layer3
Layer4
0.24r.l.の物質を加えることで
粒子数分布を再現
Layer6
Layer7
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Layer8
7
IMC中のエネルギー損失（陽子350GeV）
陽子についても0.24r.l.のAlを加えたシミュレーションデータ
との比較を行った
Exp
Exp
Epics (dpmjet3)
(dpmjet3)
Epics
Al 0.24r.l.=0.053m.f.p.
Counts
IMC 各層での比較（横軸Log）
Layer1
Layer2
Layer3
Layer4
陽子は相互作用長が長いため、
検出器前方の物質の影響は小さい
粒子数[MIPs]
Layer5
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Layer6
Layer7
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Layer8
8
角度分解能
8層目
Counts
•
IMCの最下層でのエネルギー重みづけ
重心をフィットすることで、シャワー軸
を決定
電子データについてシャワー軸
再構成を行い、角度分布から
角度分解能を求めた
Exp
Epics 位置補正前
Epics 位置補正後
＊Al 0.24r.l.を加えてある
1層目
再構成したシャワー軸
𝜃𝑥
ビームは検出器に
対して垂直に入射
Angular Resolution[°]
•
IMC図
Exp
Epics 位置補正前
Epics 位置補正後
＊Al 0.24r.l.を加えてある
68%
𝜃𝑥 [°]
再構成したシャワー軸の角度分布(e+100GeV)
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Energy[GeV]
電子の角度分解能 𝜎𝜃𝑥
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シャワー横広がり(電子100GeV/c)
j番目のファイバーに対する出力
各層での再構成したシャワー軸の位置
j番目のファイバーの中心位置
i層目でのシャワー横広がり
i層目でのファイバーの合計出力
IMC全8層でのシャワー横広がり
Counts
IMC 各層でのシャワー横広がり
Layer1
横広がり[cm]
Layer5
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Layer2
ExpExp
Epics
Epics
Epics Al 0.24r.l.
Layer3
Layer4
0.24r.l.の物質を加えることで
シャワー横広がり分布を再現
Layer6
Layer7
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Layer8
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TASC中でのエネルギー損失
±2𝜎
Counts
電子・陽子選別
電子 100GeV,陽子 350GeVを用いた
電子 100GeV/c
陽子 350GeV/c
TASCでのエネルギー損失が同程度のイベント
電子陽子選別結果
について、以下の二つのパラメータ用いて
選別をおこなった
実験
電子
陽子
電子
陽子
IMC中でのシャワー横広がり(実験)
10000
399854
Counts
①IMCでのシャワー横広がりによる選別
46931
379739
全イベント
②シャワー発達点による選別
31019(100%)
352340(100%)
入射位置選別
シャワー軸周りの粒子数が最初に大きく
7593(21.6%)
エネルギーカット 30110(97.1%)
変化した点をシャワー発達点とする
29882(96.3%)
5137(14.6%)
シャワー軸カット
シャワー発達点が2r.l.以降にあるイベント
28583(92.1%)
829(0.24%)
①IMC横広がり
を陽子イベントとみなす
②シャワー
発達点
27967
(90.2±1.1*%)
Epics(dpmjet3)
エネルギー損失[MIPs]
523
(0.148±0.013*%)
9856(100%)
9680(98.2%)
383893(100%)
電子 100GeV/c
7923(2.1%)
陽子
350GeV/c
9644(97.8%)
除去
9823(94.6%)
5474(1.4%)
9170
(93.0±1.9*%)
536
(0.140±0.012*%)
854(0.22%)
*誤差は±2σ
シャワー横広がり[cm]
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まとめ
• IMC各層での検出効率がSciFiの有感領域を再現しており、有感部での検
出効率は99.2%であった
• シミュレーションデータの検出器前方に0.24r.l.の物質を仮定することで、
実験データの粒子数分布・シャワー横広がり分布とほぼ一致した
• 電子のＸ方向に対する角度分解能は、100GeVで𝜎𝜃𝑥 =0.21°であった
• IMCでのシャワー横広がりとシャワー発達点の違いから、電子・陽子選別
を行った
実験データで電子残存率90.2%,陽子残存率0.148%であり、Epicsによる
シミュレーションと矛盾のない結果を得た
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END
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Back UP
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シャワー軸再構成方法
①. 7、8層目での最大発光ファイバー(>0.1MIP)の周り5本でのエネルギー
重みづけ重心を求め、この2点を直線でフィッティングする。
②.6層目で、フィットした直線と交わるファイバーを選び、そのファイバーの
周り3本のうち最大発光ファイバー(>0.1MIP)を候補点とし、7,8層目の
エネルギー重みづけ重心を加えた３点でフィッテイングする。
候補点がない場合はフィッティングしない。
③. ②を５層目から１層目について繰り返す。
④.１層目までの全ての候補点を使ってフィットした直線をシャワー軸とし、
候補点が3点未満の場合はシャワー軸決定できないものとする。
エネルギー重みづけ重心 𝑋𝑖 =
ΣΔ𝐸𝑗 𝑥𝑗
ΣΔ𝐸𝑗
x𝑗 [cm]: j番目のファイバーの位置
Δ𝐸𝑗 : j番目のファイバーでのエネルギー損失
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検出器前方の物質厚さ
• Radiation length,nuclear interaction length(非弾性散乱の平
均自由行程)
24.01 gcm−2 , 8.897[cm, ] 107.2 𝑔𝑐𝑚−2 , 39.7[𝑐𝑚]
検出器前方の物質Al 2.12cm = 0.238 r.l.=0.0534m.f.p.
• Wの放射長、原子核相互作用長
6.76 gcm−2 , 0.3504[cm], 191.9 gcm−2 , 9.946[cm]
0.7008cm = 2r.l. = 0.07m.f.p.
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IMC中のエネルギー損失（電子100GeV）
• 粒子数分布について実験データを最も良く再現する
物質の厚さを見積もり、検出器前方に0.24r.l.のAlを加えた
Exp
Geant4 Al 0.24r.l.
Counts
IMC 各層での比較（横軸Log）
Layer1
粒子数[MIPs]
Layer5
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Layer2
Layer3
Epicsと同様、Geant4についても
0.24r.l.の物質を加えることで
Layer6 粒子数分布を再現
Layer7
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Layer4
Layer8
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シャワー横広がり(電子100GeV/c)
j番目のファイバーに対する出力
各層での再構成したシャワー軸の位置
j番目のファイバーの中心位置
i層目でのシャワー横広がり
i層目でのファイバーの合計出力
IMC全8層でのシャワー横広がり
Exp
Gean4 Al 0.24r.l.
Counts
IMC 各層での横広がり
Layer1
横広がり[cm]
Layer5
2012/9/13
Layer2
Layer3
Layer4
Epics同様、Geant4についても
0.24r.l.の物質を加えることで
シャワー横広がりを再現
Layer6
Layer7
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Layer8
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検出効率
検出効率[%]
• 検出効率 =
IMC各層で検出したイベント数
検出器をミューオンが通過したイベント数
クラッド
1mm
コア
1mm
0.96mm
1mm
SciFiベルト模式図
1mmおきに検出効率が落ちている部分がある
→SciFiのクラッド部分に相当
飛跡通過位置[cm]
IMCのある層での飛跡通過位置ごとの検出効率
IMC層番号
1
2
3
4
※1,7層目にはそれぞれ2chずつDead ch有
5
6
7
8
平均
Dead ch層を
除いた平均
検出効率[%]
92.1 95.0 95.9 95.0 94.5 95.7 93.1 95.4
94.6
95.3
有感領域での
検出効率[%]
96.0 99.0 99.9 98.9 98.4 99.7 96.9 99.4
98.5
99.2
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各層の検出効率はSciFiの有感領域を再現
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検出効率
検出効率[%]
• 検出効率 =
IMC各層で検出したイベント数
検出器をミューオンが通過したイベント数
クラッド
1mm
コア
1mm
0.96mm
1mm
SciFiベルト模式図
1mmおきに検出効率が落ちている部分がある
→SciFiのクラッド部分に相当
飛跡通過位置[cm]
* 7層目には2ch、Dead ch有
** 7層目は除いてある
IMCのある層での飛跡通過位置ごとの検出効率
IMC層番号
1
2
3
4
5
6
7
8
平均
検出効率[%]
94.5
95.0
95.9
95.0
94.5
95.7
89.6*
95.4
95.1**
有感領域での
検出効率[%]
98.4
99.0
99.9
98.9
98.4
99.7
99.5
99.4
99.2
各層の検出効率はSciFiの有感領域を再現
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