Transcript ビーム中の粒子

J-PARC KOTO実験における
ビームライン上荷電粒子検出器の
アップグレードに向けての
MWPC試作機製作と性能試験
京大理、岡山大A、KEKB
中桐 洸太、笹尾 登A、野村 正B、南條 創、
河崎 直樹、増田 孝彦、内藤 大地、前田 陽祐、
関 繁人、日根野 貴晶、上路 市訓
他J-PARC KOTO Collaboration
KOTO実験の概要
• 中性Ｋ中間子稀崩壊探索実験（@J-PARC）
• KL→π0νν 崩壊の初観測を目指す
・SMでの崩壊分岐比が小さい（2x10-11）
・理論的不定性も小さい（2%）
→新物理への感度が高い（golden mode）
＜崩壊のダイアグラム＞
2013年5月に初の物理ラン
現在解析進行中
➡30aSD-6 前田、30aSD-7 杉山
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実験原理
2γ(~99%)
• KL→ π0 νν
• 2γ + nothing
観測不能
– π0→2γはCsIカロリーメータでとらえる
– 全立体角を覆い、他には”何も検出されない”ことを要求
ビーム中にも検出器をおかなくてはならない！
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Beam Hole Charged Veto
• ビーム中下流の荷電粒子検出器（以下、BHCV）
– KLの荷電崩壊モードのveto （ ex. KL→π+π-π0 ）
• ビーム中にあるため光子・中性子が大量に入射（下表）
– KL→π0νν事象と同じタイミングでの偶発HIT
➡信号事象を殺す（Accidental Loss）
– 検出すべき荷電粒子と同じタイミングでの偶発HIT
➡veto仕損ない
➡荷電粒子に対し高い検出効率を持ち、かつ
中性粒子に対しては反応を起こしにくい検出器
incident
Rate
mean
Energy
gamma
0.6 GHz
10 MeV
neutron
0.6 GHz
500 MeV
BHCV
ビームは約20cm x 20cm の領域に分布
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現在インストールされているBHCV
• ８枚の３mm厚プラスチックシンチレータ＆PMT
• ５月のRUNでのビーム強度（24kW）で16%の
Accidental Loss が生じている
• full intensity (300kW)では
約30%のAccidental Loss が見込まれる
→アップグレードが必要
[MHz] HIT Rate HIT Rate
A.L(data)/A.L(MC)
(data)
(MC)
March(15kW)
5.6
3.7
11% (preliminary)/ 7.2%
(th:200keV)
May(24kW)
8.4
5.9
16% (preliminary)/ 11%
(th:150keV)
300kW
18
-
/ 30%
（300kWでは、production target/spillが異なる）
(th:150keV)
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BHCVアップグレード
• 中性粒子との反応を減らす鍵となるのは“物質量”
➡ガス検出器
– “薄い”ガスボリューム
• ハイレートへの耐性（ドリフト距離を縮め、空間電荷効果を抑制）
• 物質量を減らす上でも有効
• full intensity（300kW） の時の現行BHCVとアップグレー
ド版（MWPC,3.2mm厚 gas volume）の比較
Hit Rate : R
veto window : T
Accidental Loss
現行BHCV
18 MHz
20 ns
30 % (th:150keV)
MWPC
3.3 MHz
40 ns
12 % (th:150eV)
Accidental Loss = 1 – exp(-RT)
• R : Accidental hit rate
• T : veto window : veto信号があるかどうかを見る範囲
TOF と Chamber の time jitter で決まる
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BHCVアップグレード
• 荷電粒子に対する検出効率として99.9%を要求
➡薄いガスボリュームで達成可能か？
• アップグレードの第一歩として“薄い”ガスボ
リュームをもったMWPC試作機を制作し、
Efficiencyなどを測定した。
– 読み出し部増幅回路については 29pTH-6 上路
BHCV
KL beam
ワイヤー
thin gap
6
小型試作機製作
• 厚み1.6mmの回路用G10基板から手作り(基盤加工機使用)
• gas volume : 5cm x 5cm x 3.2mm (CF4:n-Pentane=55:45)
略図
wire spacing : 2mm
wire-cathode
gap : 1.6mm
φ50μm
gold-plated W wire
wire tension : 300gw
・ ワイヤー本数１３本
・ 内側１１本まとめ読み
・ HV : +3600V
aluminized mylar sheet
inner 11wires
outer 2 wires
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Efficiency measurement (Set up)
trigger scintillator
t 〜500μm
GATE
coin
PMT1
ADC
HV:+3600V
3.2mm thick
gas chamber
AMP(x100)
Chamber
trigger scintillator
t 〜220μm
start
PMT2
TDC
90Sr
200ns
50mV
external trigger
-triggered by 2
plastic scintillators
 Chamber signal
x100 amplified
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MIP peak : 65.5 (±0.7) [pC]
(x100 amplified)
Chamber signal
→0.66 [pC/MIP] corrected
time jitter : 25ns
threshold : 15 [pC]〜250eV
1mm 1mm
drift time :25ns/1mm
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ADC-TDC 相関とEfficiency
signal region
Efficiency : 98.8(±0.2)%
• MWPCをビーム軸にそって3台並べる
• 3台のうち2台以上にHITがあったことを
もってBHCVにHITがあったと定義
（2 out of 3 logic）
一台あたりのinefficiency を η = 1 – ε として
となり、inefficiencyを抑えられ、Efficiency
として99.9%以上を達成することができる。
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まとめ
• KOTO実験において、BHCVのアップグレードが必要
– 大量の中性子・光子環境下で荷電粒子を確実に捉え
さらにAccidental Lossを抑えるためにガスチェンバーを提案
– design intensityでのAccidental Loss を約12%に抑えることができる
• MWPC小型試作機を製作した
– MIPに対する出力として 0.66[pC/MIP peak]が得られた
– time jitter として25nsが得られた
– efficiency は98.8 % ( 2 out of 3 logicで99.9%以上)が得られた
• 今後の課題・予定
–
–
–
–
ハイレート環境下での安定性とEfficiencyを評価する
大型化したときに、同様の性能を持つかどうかを評価する
今年秋頃ビームテストを実施
2014年度後半のKOTO実験のRUNへのインストールをめざす！ 11
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BACKUP
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ビーム中の粒子
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Design Intensity (300kW)での
Hit Rate
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セットアップ
90Sr
trigger scintillator
t 〜220μm
PMT1
3.2mm thick
gas chamber
HV:3600V
GATE
coin
ADC
AMP(x100)
Chamber
trigger scintillator
t 〜220μm
PMT2
trigger scintillator
t 〜500μm
PMT3
start
TDC
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Cut Conditions
plastic scintillator
+ PMT3
β
Chamber
90Sr
plastic scintillator
+ PMT1
PMT1
plastic scintillator
+ PMT2
PMT2
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PMT ADC分布
PMT1
PMT2
PMT3
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PMTトリガー 2 coin. と3 coin. での
Chamber ADC分布
MIP peak : 65.5 (±0.7) [pC]
(x100 amplified)
Chamber signal
→0.66 [pC/MIP] corrected
time jitter : 25ns
1mm 1mm
drift time :25ns/1mm
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HV – Chamber output
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HV – MIP peak
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HV - inefficiency
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Broad time width
Δt
ΔT
Δt
TDC start
Don’t affect
ΔT
accidental
Hit
accidental Hit
TDC start
singal
signal
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TOF distribution
ns
10ns
to achieve 99.9% efficiency , veto window must be more than 10ns
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BHCVのvetoすべき主要なBG
• KL→π+π-π0
– 崩壊分岐比 〜１２．５％
– Q value = ８３．４ [MeV]
➡PT が小さく、前方方向に飛ぶ
➡π+,π-がBHCVのカバー領域に入ってくる
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TOF分布
10ns
KL→π+π-π0 のdecayをするKLでシミュレーションを振り、
CsI に2γ（π0由来）のヒットがあってからBHCVにHIT（π+π-）があるまでの
時間差の分布。99.9%以上が、10ns以内に含まれている。
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KL Decay mode
• π+-e-+νe
– called “Ke3”
– BR ~ 40.5%
• π+-μ-+νμ
– called “Kμ3”
– BR ~ 27.0%
• 3π0
– BR ~ 19.5%
• π+π-π0
– BR ~ 12.5%
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ガスの混合
• CF4 gasをn-Pentaneを
通してフローさせる
• 恒温水槽でn-Pentane
を17℃に保つ
CF +nPentane
CF4 gas
4
= 55 : 45
• 蒸気圧により
CF4+nPentaneの比が n-Pentane liq.
55:45に決まる
恒温水槽
１７℃
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カーボンによるcharge up の影響
V
Q[C / cm2・s]
VMAX
表面電荷密度
q(r)[C/cm2]
O
面抵抗 ρ [Ω/□]
半径 a [cm]
r
i(r) [C/cm]
O
a
r
オームの法則
dV = -2p ri(r) ´
dr
r
2p r
\
dV
= -ri(r)
dr
連続の式
¶
¶
( 2p rq(r)) + ( 2p ri(r)) = 2p rQ
¶t
¶r
d
( ri(r)) = Qr
dr
B.C.
2p ai(a) = Qp a
2
\i(r) =
Q
r
2
VMAX =
ò
0
a
dV
Qr 2
dr =
a
dr
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30cm x 30cm に1 MHzのHit rate
1Hit 当り 0.9 pC の電荷を生むとすると
Q=1e-9[C/cm2・s]
Q=1e-9[C/cm2・s]
ρ=1[MΩ]
a=20[cm] を代入すると、
VMAX=0.1 [V] ➡negligible！
π＋、πーのβ
チェレンコフ光を発するThresholdはβ＞１／n 〜０．９７（n=1.03）
これを満たすのは 1212/1656 〜７３％ となり、エアロゲル中での
チェレンコフ光を用いてのπの検出は難しいと思われる。