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 2 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 日本物理学会 2012秋季大会@京都産業大学 4 Layers Δz = 0.1~0.35 (p~Fe) 3 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 日本物理学会 2012秋季大会@京都産業大学 4 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] 日本物理学会 2012秋季大会@京都産業大学 5 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 日本物理学会 2012秋季大会@京都産業大学 6 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 日本物理学会 2012秋季大会@京都産業大学 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 日本物理学会 2012秋季大会@京都産業大学 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 日本物理学会 2012秋季大会@京都産業大学 ⇒ 真鍮代用の 影響はない 9 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 日本物理学会 2012秋季大会@京都産業大学 おわり 日本物理学会 2012秋季大会@京都産業大学 11 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 日本物理学会 2012秋季大会@京都産業大学 Energy Distribution (TASC) e-: 290GeV --- 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) 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) 日本物理学会 2012秋季大会@京都産業大学 CHD –backscattering- e-: 290GeV ・ ― Full-PWO ・ ― with Brass CHD-X (incident point) CHD-Y (incident point) 日本物理学会 2012秋季大会@京都産業大学 CHD –backscattering p 350GeV ・ ― Full-PWO ・ ― with Brass CHD-X (incident point) Tail region Peak region CHD-Y (incident point) Tail region Peak region 日本物理学会 2012秋季大会@京都産業大学 CHD – backscattering C: 1580GeV/n ・ ― Full-PWO ・ ― with Brass CHD-X (incident point) CHD-Y (incident point) 日本物理学会 2012秋季大会@京都産業大学
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