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CALET熱構造モデルを用いた
CERN-SPSビーム実験(2012)の概要
赤池陽水, 鳥居祥二A, 笠原克昌A, 小澤俊介A, 小谷太郎A, 中川友進A, 植山良貴A,
仁井田多絵A, 中村政則A, 吉田圭佑A, 片平亮A, 金子翔伍A, 村田彬A, 田村忠久B,
吉田健二C, 片寄祐作D, 清水雄輝E, 寺澤敏夫, J. W. MitchellF, P. S. MarrocchesiG,
他CALETチーム
東大宇宙線研, 早大理工研A, 神奈川大工B, 芝浦工大C, 横国大工D,
JAXA/SEUCE, NASA/GSFCF, Siena Univ.G
日本物理学会 2012秋季大会@京都産業大学
CERN実験(2012)の目的
■ 実験目的
・ 熱構造モデルを用いた検出器の性能評価
・ シミュレーションモデルの最適化
■ 実験予定
場所：CERN-SPS加速器
日時：
・ 2012年9月24日~10月7日
p ~ Fe ： 20 ~ 158 GeV/n
・ 2012年10月8日~10月15日:
電子 : 8 ~ 250 GeV
陽子 : 30 ~ 350 GeV
CERN-SPSのビーム予定
発表内容
 CERN(2012)実験における検出性能と検証項目について報告
日本物理学会 2012秋季大会@京都産業大学
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ビーム実験の検出器構成
フライトモデルとの違い
■ CALET熱構造モデル
・ フライトモデルと同じ構造
- 寸法、サポート構造
今回の実験では使用する検出器数が
右表のように異なる
CALET
ビーム試験(2012)
CHD
14枚 x (X,Y)
3枚 x (X,Y)
IMC (SciFi)
448本 x (X,Y) x 8層
256本 x (X,Y) x 8層
7層 （3X0）
7層 （3X0）
16本 x (X,Y) x 6層
3本 x (X,Y) x 6層
(W)
TASC
■ Si Tracker
IMC + CHD
Trigger
Scinti.
(muon)
TASC
Si Tracker
 Si strip 入射位置検出用
Trigger
Scinti.
9.4cm x 9.4cm
Pitch 732 um
128ch x (X,Y) x 6 Layers
Beam
 Si pixel 入射電荷測定用
9.0cm x 9.0cm
Pixel area : 1.125cm2
HV Box
Support Structure
Moving Table
■PWO
■Brass
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4 Layers
Δz = 0.1~0.35 (p~Fe)
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CERN実験（２０１1）との比較
 CERN2011
TASC
IMC + CHD
beam
– 構造 : 総物質量（30X0）
シンチレータのみを重ねた構造
– 読み出し方向 : X側のみ
– 入射粒子 : μ粒子、電子、陽子
IMC + CHD
TASC
 CERN2012
– 構造 : 総物質量（30X0）
フライトモデルと同じサポート構造
– 読み出し方向 : X, Y両側
– 入射粒子 : μ粒子、電子、陽子、
原子核 (p ~ Fe)
beam
CERN実験(2012)
 熱構造モデルを使用することで、
フライトモデルを模擬した装置構成による性能検証が可能
 原子核成分の測定性能を新たに検証予定
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装置構造による電子シャワーエネルギーの差異
IMCのエネルギー損失
装置構造による違い：
・ IMCにおけるエネルギー損失量は、
ほとんど変化なし
・ TASCでは、シャワー発達が遅くなり、
総エネルギー損失量が小さくなる
― CERN(2011)
― CERN(2012)
電子100GeV
シミュレーション：EPICS v9.131 (Cosmos7.631)
N [MIPs]
TASCにおけるエネルギー遷移曲線
― CERN(2011)
― CERN(2012)
電子100GeV
TASCのエネルギー損失
― CERN(2011)
― CERN(2012)
電子100GeV
N [MIPs]
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装置構造による電子・陽子シャワーの横拡がりの差異
CERN(2011)のシャワーの横拡がり
TASC中のシャワーの横拡がり𝑅𝐸
𝑹𝑬 =
― 電子 150GeV
― 陽子 350GeV
𝚺𝒊 𝚫𝑬Layer𝑖 𝑹𝟐𝒊
𝚺𝒊 𝚫𝑬Layer𝑖
𝑹𝑖 =
𝚺𝒊 𝚫𝑬i,j × 𝑥𝑗 − 𝑥𝑐
𝚺𝑗 𝚫𝑬𝑖,𝑗
2
∆𝑬𝒊,𝒋 Deposit Energy in i,jth PWO
𝒙𝒄 Position of Shower Axis
𝒙𝒋 Position of jth PWO
CERN(2012)のシャワーの横拡がり
― 電子 150GeV
― 陽子 350GeV
装置構造による違い：
・ 同様の解析手法で、
シャワーの横拡がりが大きくなる
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原子核測定によるシミュレーションモデルの検証
ハドロン相互作用モデルによる依存性
•
エネルギー測定
•
シャワーの横拡がり
⇒ CALETに最適なモデル検証
TASC中におけるエネルギー損失
シミュレーション：EPICS v9.131 (Cosmos7.631)
相互作用モデル
― dpmjet3
― dpmjet3 < 80GeV < qgsjet2
― phits < 2GeV < dpmjet3
― phits < 2GeV < jam
TASC中のシャワーの横拡がり
例) C 158GeV/n
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例) C 158GeV/n
陽子・原子核成分の粒子識別 (後方散乱)
■ 電荷識別
入射位置におけるCHD, IMCの
電離損失量から識別
⇒ 後方散乱の影響の程度を調べる
原子核入射位置におけるCHDの
エネルギー損失 (シミュレーション)
後方散乱あり
後方散乱なし
(30GeV/n)
―p
― He
― B (3%)
―C
CHD単体の電荷分解能
(Ni1.3GeV破砕核の照射実験 @GSI加速器)
CHD-X,Yの相関
―p
― He
―B
―C
Δz < 0.3 (z<Fe) P.S.Marrocchesi et al, 2011
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原子核入射位置における
IMCのエネルギー損失
―p
― He
―B
―C
TASCにおける代替物質の影響
IMC + CHD
■ PWOは各層3本ずつ使用する
（フライトモデルは16本）
⇒ 残りのPWO部分の代替物質の影響を
シミュレーションで検証
TASC
・ TASCのエネルギー損失
・ 後方散乱
Beam
密度
[g/cm3]
放射長
[cm]
臨界E
[MeV]
RM
[cm]
PWO
8.30
0.89
9.64
1.96
真鍮
8.43
1.50
18.0
1.66
■PWO
■Brass
CHDのエネルギー損失
(後方散乱粒子を含む)
TASCのエネルギー損失
--- Full-PWO(full readout)
― Full-PWO
― PWO & Brass
P 350GeV
― Full-PWO
― PWO & Brass
P 350GeV
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⇒ 真鍮代用の
影響はない
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まとめ
• 2012年9月-10月に、CERN-SPS加速器において熱構造モ
デルを用いたCALETのビーム照射試験を実施予定
– 入射粒子
• 電子: 8 ~ 250 GeV
• 陽子: 30 ~ 350 GeV
• 原子核(p~Fe): 20 ~ 158 GeV/n
⇒ 特に原子核成分では最適なハドロン相互作用モデルの検証
– 熱構造モデル
• フライトモデルと同じ寸法、同じサポート構造
⇒ 構造に依存する検出性能の違いを評価
• 実験結果を基にシミュレーションモデルの最適化を行い、
CALET実機の観測性能検証に反映
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おわり
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Simulation
● Code
Epics v9.13 (Cosmos v7.622)
(phits < 2GeV < dpmjet3)
CALET-STM
● Incident Position:
Center of PWO ±0.5mm
(gaussian: σ~0.5cm)
● incident Angle:
vertical
● Particle
e: 290 GeV
p: 350 GeV
C: 158GeV/n
■：PWO
■：Brass
● Calculation
- energy distribution in TASC
- backsplash in CHD
Brass spec
- ρ = 8.43 g/cm3
- composition Cu : Zn = 6 : 4
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Energy Distribution (TASC)
e-: 290GeV
--- Full-PWO (Full-readout)
― Full-PWO (using 3 logs)
― with Brass (using 3 logs)
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Energy Distribution (TASC)
p: 350GeV
--- Full-PWO (Full-readout)
― Full-PWO (using 3 logs)
― with Brass (using 3 logs)
日本物理学会 2012秋季大会@京都産業大学
Energy Distribution (TASC)
C: 1580GeV/n
--- Full-PWO (Full-readout)
― Full-PWO (using 3 logs)
― with Brass (using 3 logs)
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CHD –backscattering-
e-: 290GeV
・ ― Full-PWO
・ ― with Brass
CHD-X (incident point)
CHD-Y (incident point)
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CHD –backscattering p 350GeV
・ ― Full-PWO
・ ― with Brass
CHD-X (incident point)
Tail region
Peak
region
CHD-Y (incident point)
Tail region
Peak region
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CHD – backscattering C: 1580GeV/n
・ ― Full-PWO
・ ― with Brass
CHD-X (incident point)
CHD-Y (incident point)
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