Transcript S-2S meeting

S-2S meeting
Geant4 simulation for WC
2015.2.10
S. Kanatsuki
1
• 水チェ Geant4 シミュレーション
– ELPHの結果との比較をしたい。
– E05の条件下での性能の予想に使いたい。
• 今回の報告内容
– モデリングの更新
– e+, K+, p それぞれについて入射位置依存性を調べた。
– 2PMTs/1side にした場合について調べた。
2
モデリング
• 実装された要素
– 直方体の水
• 空気との境界で Lambert 反射：反射率98%、残り2%は吸収される
• 吸収長、屈折率は文献値を入力。
– 透過窓
• 測定した透過率を元に解析段階で乱数を振ってカットをかけている。
• 屈折率も与えているので、上記とは別に境界面での反射・屈折も生じている。
• ダブルカウントになっているがここでは無視する。
– グリス層
• 屈折率のみ与えた。
• 通常のアクリル素材の透過率が0より大きい波長領域では、グリスの透過率は約
97%で一定だった。
• UVTアクリルの場合、透過率の波長依存性を正しく入れないと光量の絶対値は
相当過大評価になる可能性がある。
– PMT
• 量子効率データを元に解析段階で乱数を振ってカットをかけた。
• 量子効率はフォトンの入射位置には依存しないとしている。
3
全反射条件
• 水よりも屈折率の小さい物質が挟まっていないと全反射は
起こらない。
– 落ち着いて考えればすぐわかる。
– 分母分子を勘違いしていたので、「グリスで反射するかも」、などと言っていた。
– 空気の層でもなければ全反射はどの場所でも起こりえない。
チェレンコフ角
• p=1.3 GeV/c とすると、
–
–
–
–
e+：41.2 deg、tan=0.88
pi+：40.9 deg、tan=0.87
K+：36.5 deg、tan=0.74
p：22.0 deg、tan=0.40
4
計算結果1 (x=0,u=v=0deg)
NPE y-dependence (x=0cm,u=v=0deg)
180
normalized NPEs
NPEs
NPE y-dependence (x=0cm,u=v=0deg)
e+ Sum
e+ Up
K+ Sum
K+ Up
P Sum
P Up
160
140
120
100
e+ Sum
e+ Up
K+ Sum
K+ Up
P Sum
P Up
1.4
1.2
1
0.8
80
0.6
60
0.4
40
0.2
20
0
-30
-20
-10
0
10
20
30
Incident y-position [cm]
•
•
•
•
0
-30
-20
-10
0
10
20
30
Incident y-position [cm]
赤=e+、緑=K+、青=p
左図の結果を用いて、y=0 の値が1になるように規格化したのが右図。
「NPEの急激な伸び」の始まる位置を比較すると、青=protonの場合に、他より
4cm程度外側になっているように見える。チェレンコフ角の違いによるもの。
入射位置による変化が直線的に見える領域でもy=±25cm程度のところで
y=0cmの値よりNPEが約10%増えている。
5
計算結果2 (x=0,u=0,v=7.5deg)
NPE y-dependence (x=0cm,v=7.5deg)
180
normalized NPEs
NPEs
NPE y-dependence (x=0cm,v=7.5deg)
e+ Sum
e+ Up
K+ Sum
K+ Up
P Sum
P Up
160
140
120
100
e+ Sum
e+ Up
K+ Sum
K+ Up
P Sum
P Up
1.4
1.2
1
0.8
80
0.6
60
0.4
40
0.2
20
0
-30
-20
-10
0
10
20
30
Incident y-position [cm]
•
•
•
•
•
0
-30
-20
-10
0
10
20
30
Incident y-position [cm]
v方向に7.5度入射角を持たせた場合。
もちろんy>0の方が上に持ち上がる結果となる。
この場合も y=30cm 付近での様子は前ページと同じ傾向がある。
e+の結果はELPH実験を再現しているように見える。
y=0とy=33の値の比を取ると、ELPH=80/120、Geant4=110/150。
6
計算結果3 (x=9,u=v=0deg)
NPE y-dependence (x=9cm,u=v=0deg)
180
normalized NPEs
NPEs
NPE y-dependence (x=9cm,u=v=0deg)
e+ Sum
e+ Up
K+ Sum
K+ Up
P Sum
P Up
160
140
120
100
e+ Sum
e+ Up
K+ Sum
K+ Up
P Sum
P Up
1.4
1.2
1
0.8
80
0.6
60
0.4
40
0.2
20
0
-30
-20
-10
0
10
20
30
Incident y-position [cm]
•
•
•
0
-30
-20
-10
0
10
20
30
Incident y-position [cm]
x=9に入射する場合。
y=±25cmまでは前2ページと同じだが、チェレンコフ円錐がPMT面に入ってくる
あたりからは著しく増加することはなく、むしろ少し減少する。
PMTと同じ面に入射する方がPMTへの到達確率が低くなるということだろう。
7
計算結果4 (x=0,u=v=0deg)
180
NPE y-dependence (x=0cm,u=v=0deg)
NPEs
NPEs
NPE y-dependence (x=0cm,u=v=0deg)
Sum
Up
Down
160
140
180
140
120
120
100
100
80
80
60
60
40
40
20
20
0
-30
-20
-10
0
10
20
30
Incident y-position [cm]
•
•
•
•
•
Sum
Up
Down
160
0
-30
-20
-10
0
10
20
30
Incident y-position [cm]
左図は3ページ前と同じ。
右図はUpの方のみグリスの変わりに空気を置いた場合。
ELPHの結果が平らかなことを説明する仮説として思いついてやってみた。
y=0で、Up側で検出したNPEはDownのNPEの5-6割程度になっている。
Up側は y>30でもNPEは横ばいである。全反射条件を満たすためと考えられる。
8
計算結果5 (2PMTs for Upside)
NPE y-dependence (x=0[cm],v=0[deg])
Number of photons
Number of photons
NPE y-dependence (x=0[cm],v=0[deg])
500
450
Up (2PMTs)
400
Down
350
2
1.8
Up (2PMTs)
1.6
Down
1.4
300
1.2
250
1
200
0.8
150
0.6
100
0.4
50
0.2
0
-40
-30
•
•
•
•
•
-20
-10
0
10
20
30
40
Incident y-position [cm]
0
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
Incident y-position [cm]
PMTの数を、Upのみ2個付け、Downは1個とした。
Upは2つのPMTで得られたNPEを足したもの。
UpがDownの2倍になっていない。透過窓のうち、PMTが覆う面積の違いで生じ
ているのではないだろうか。
入射位置依存性はほぼ同じだが、Up側の方が傾きが小さいように見える。
9
程度の差はあるが、宇宙線テストの結果と同じ傾向である。
Summary
• ELPH実験を再現するモデルを使ってGeant4計算を行った。
• ELPH実験との比較
– y=0でNPE=110となり、実験値によく合っている。
– v=7.5degの結果については入射y依存性もよく一致している。
– 垂直入射の場合には、実験値が yに対してフラットだったのに対して、
PMTの前に空気の層があるという仮定を用いてその傾向を再現した。
• 入射粒子の種類（β）の違いを考慮した。
– e+やK+よりpの方がチェレンコフ角が小さく、入射位置によってNPE
に大きな変化が現れる位置に違いが出ることを確認した。
• PMTを2本付けた場合
– PMTを2本にしてもNPEが2倍にならなかった。
– 1本のみの面と比べて、NPEの傾きにわずかな差があった。
• “14%のばらつき”（竹中修論）を考慮していれば問題ないと
考えられる。
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