オルソポジトロニウムの寿命測定による束縛系 QEDの実験的検証

日本物理学会秋季大会大阪市立大学杉本キャンパス 2005.9.12
オルソポジトロニウムの寿命測定
による束縛系QEDの実験的検証
東大素粒子センター(ICEPP) 片岡洋介
浅井祥仁、小林富雄
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
– 実験的な検証が必要
• オルソポジトロニウムの寿命測定
– 寿命が長く(約142ns)、直接測定が可能
– ハドロンのような強い力に伴う不定性がない
– O(α2)の計算が実際に行われている
term
• 本実験の目的
–
O(α2)の検証
tree level
A (α/π)
correction(ppm)
0.0
-23893.9
B α2ln(1/α)
-87.3
C (α/π)2
240.2
現在の状況
(α2)
• 東大、ミシガン大等により精密測定が
行われている
• 90年代にオルソポジトロニウムの寿命
問題が解決
（o-Psの熱化過程に伴うsystematicなエラー）
• 現在の実験精度は約200ppm
– O(α)の補正(約2%)は十分に検証さ
れた
– O(α2)の補正(約240ppm)を検証する
さらに精密な測定が必要
Tokyo groupのアプローチ
• 物質との相互作用による対消滅(pick-off)の正確な取り扱いがカギ
– 3γ崩壊（λ3γ）
e+線源
– Pick-off （λ(t)）
ターゲット
（ガス、シリカ）
o-Ps生成
Δt
o-Ps
物質(ターゲット)
– 観測される崩壊率
γ
γ
γ
γ
γ
１． Ge検出器を用いてγ線のエネルギースペクトラムを測定し、
２. ３γの連続分布と511keVのピーク(pick-off)の比からλpick(t)/λ3γを測定
 熱化過程を考慮した正確な測定が可能 (詳細は後述)
この実験手法に基づく、さらに高精度な測定を行っている
今回の実験のセットアップ
• 前回のセットアップの限界～統計誤差170ppm
• 統計を増やすため抜本的な改善が必要(詳細は後述)
– 線源を変更
– トリガーシステムを変更
– シンチレータを変更
統計10倍化を達成
真空容器
線源
トリガー用プラシン
シリカエアロジェル
YAPシンチレータ 3台
Ge検出器(同軸型) 3台
線源周り
• β+線源
–
68Ge
(Eβmax1.9MeV) 0.4μCi
– 前回(22Na)はプラシン中で大部分が対消滅
½インチPMT
1インチPMT
• トリガー
– プラシン(200μm厚)
– アルミナイズドマイラーのコーンで光収集
ライトガイド
プラシン
(200μm)
• シリカエアロジェル
– 0.03g/cm3
– 前回はシリカパウダー
プラシン
(1mm)
• アンチトリガーを導入
– 円筒形プラシン(1mm厚)
68Ge
105mm
e+
シリカエアロジェル
– e+がシリカを抜けるイベント(約半数)を
suppressし、DAQレートを有効に使う
65mm
YAPシンチレータ
高統計な測定に適したYAP（YAlO3）シンチレータを導入
• 減衰時間約30nsのシャープな波形 (前回:NaI～230ns)
 pile up が大幅に減少
• 優れた時間分解能(～400ps)
400ps @511keV
• 安定な物性
– 潮解性がなく、非常に硬い結晶
• その他
– 光量 40% (NaI比)
– Z=39
今回使用したYAPの結晶
50mm×50mm×33mm
データ収集の状況
• 8月末よりデータ収集開始
– ３ｋHzでデータ収集
– 現在2週間で4×109イベント(β+)
– 統計エラーにして約300ppm
 今回のセットアップの統計10倍化を確認
• 約半年のランで100ppm以下
次に、ここ2週間のデータをみる（解析の詳細）
time walkの補正
• YAPの補正
– 速い立ち上がり
– γ線のエネルギーで補正
 約400psのtime resolution
Walk
エネルギー
• Geの補正
– 遅い立ち上がり(～200ns)
– 立ち上がりの時間で補正
 約3～5nsのtime resolution
Walk
立ち上がり時間
3γspectrumのnormalization
Energy spectrum
Ge time spectrum
prompt
2γ(511keV)
data
decay curve
accidental
3γ
• simulation(Geant4)による3γスペクトラムを
dataの3γ連続分布でnormalize
 pick offの割合を求める（n2γ/n3γ）
• 崩壊時間毎にslice
 pick-offの割合の時間依存性が分かる
simulation
pick-off rate
• 測定されたpick-off rate
– o-Psの熱化を反映した
カーブが観測される
– 数百nsで収束、約2%
• pick-off rateをlife time
fittingに取り込むことで
正確に崩壊率が求まる
time spectrum fitting
YAP time spectrum
Fitting 関数
prompt
3γ decay curve
Free parameter: λ3γ,N0,C
accidental
o-Ps life time
λ3γ=7.0393±0.0020(stat)μs-1
– 統計エラー280ppm
• 前回(2001)の測定
– SiO2 powderを使用
– 約一年間のデータ収集
λ3γ=7.0396±0.0012(stat)
±0.0011(sys)μs-1
• 束縛系QEDの計算値(α2)
λ3γ=7.0399μs-1
とコンシステントな結果を得た
束縛系QED (α2)
まとめ
• オルソポジトロニウムの寿命測定のセットアップを構築
– 高統計、高精度な測定が可能になった
• 2週間で統計エラーにして280ppmのデータを収集
– 前回(2001)の測定とコンシステントな結果が得られた
• 今後、約半年のランで統計エラーを100ppm以下に抑える
• systematicエラーのstudyを始める

Download Report