吸収層に鉛ガラス等を使用し

次世代ハドロンカロリメータのための
チェレンコフ光検出器の開発研究
魚住聖、竹下徹、神崎伊織（信州大学）
2016/3/20 日本物理学会
Introduction
• サンプリング型ハドロンカロリメータは一般に分解能があまり良くない。
• 理由：
• ハドロンシャワーの中の電磁シャワー成分の寄与が
比較的大きく、またイベント毎に違う
• 吸収体の中でそれらの情報が失われてしまう
• それらを克服するには…
→ 吸収層でも粒子数のカウンティングができる
全測定型ハドロンカロリメータ！
吸収層に鉛ガラス等を使用し、チェレンコフ光により粒子の
カウンティングを行う。
サンドイッチ型HCAL
吸収体（鉄等）
シンチレータ
全測定型カロリメータ
鉛ガラス等
（チェレンコフ光を測定）
シンチレータ
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チェレンコフ光
• 荷電粒子が物質内を通過する際に速度が光より早いと“衝撃波”
として発光が生じる。
• シンチレーションと比較すると、発生する光子数は非常に小さい。
• 短波長ほど発光量が多い→λ <350nmの光子はガラス等で吸収され
てしまう。
~ 1/ λ2
• 吸収体が鉛ガラスのままでは検出できる光量が限られるため、
本研究では波長変換を施してPPD(Pixelated Photon Detector)
での測定を試みる。
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測定セットアップ
cosmic m
恒温槽（２５oC）
Base material
+ 波長変換剤
トリガー
40 mm
30 mm
PPD
(75 mm pitch MPPC)
信号読み出し
• 宇宙線を測定素材上下に設置した
シンチレータで検出し、
トリガー信号とする。
• PPDでチェレンコフ光を検出し、
チャージ積分型ADCで光量を測定
• PPDの温度管理のため、測定系を
恒温槽内で25oCに保持
Base material
波長変換剤
鉛ガラス
無し
ポリスチレン
無し
ポリスチレン
Y11
ポリスチレン
B2
水
無し
水
CdTe量子ドット
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チェレンコフ光信号：鉛ガラス
(ADC counts)
• 得られた信号強度分布から、チェレンコフ光の平均光量を測定
• 鉛ガラスでの光量は11.1 + 0.5 photoelectron
• Pedestalと宇宙線ミューオンの信号がクリアに分離できている。
チェレンコフ光信号：ポリスチレン＋Y11, B3
吸収・再発光スペクトル（http://kuraraypsf.jp/psf/ws.html）
Black : polystyrene only (20 + 1 p.e.)
Red : Y11 added (136+1 p.e.)
(Green : B3 added (109 +1 p.e.)
• 有機物同士の組み合わせでは読み出し
光量の有意な増加を確認。
• しかし、ハドロンカロリメータの吸収層に
使用するには物質量が足りない
→ 無機物同士のペアで同じ効果を出したい
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チェレンコフ光信号：CdTe量子ドット水溶液
•
•
•
•
全測定型カロリメータには重い物質が必要。
波長変換物質が有機物質では、鉛ガラス等の成形時の熱に
耐えられない。
無機波長物質の候補として、CdTe量子ドット水溶液で測定光量の
増加が見られるかテストした。
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CdTe量子ドット測定結果
Actually
100% water
Systematics included
• 濃度を変化させて水溶液のチェレンコフ光の量を測定したが、
有意な変化は見られなかった。
• 変換効率等の問題？専門分野の方と相談中。
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無機量子ドット波長変換剤の候補例
(http://azscience.jp/companysale/nano/)
Summary
• 全測定型ハドロンカロリメータの開発のため、重く透明な
素材からのチェレンコフ光を効率的に読みだす方法を模索し
ている。
• 短波長のチェレンコフ光を長波長に変換する物質をいくつか
テストした。
• ポリスチレン＋Y11/B3 では測定光量の増加が確認できたが、
Y11/B3は有機物のため、鉛ガラス等の重い無機物に混ぜ込
むことはできない。
• 無機波長変換物質の一つであるCdTe量子ドット水溶液を測
定したが、チェレンコフ光の有意な増加は確認できなかった。
• 今後は他の無機物(Ag, Au量子ドット等)を試してみる予定。
Backup
Cerenkov light emission
チェレンコフ光
• Cherenkov detector (Lead Glass and PPD)
• Detecting muon is a challenging issue with the lead glass.
Because :
• Extremely small number of
photons than scintillation
• Number of photons
~ 1/ λ2
• λ <350nm light absorbed
in lead glass
~ 1/ λ2
λ<360nm absorbed in LG
λ
• Muon detection with this detector ensures
ability of this detector also to measure EM/hadron showers.
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•
•
•
•
•
System is kept at 25oC in thermostat chamber
Vbias = 53.5 V (Vbreak~52V)
Trigger generated by T1&&T2
Veto counter installed aiming for orthogonal-oriented trigger
All signals (MPPC, T1, T2, V) are read by charge-integrated ADC
(CAEN V772)
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チェレンコフ光信号：鉛ガラス
Fitting function :
Constrained
multi-Gaussian
Num. of p.e. @ i-th peak 3
Reproducibility
• Repeat 5 sets of trial
• 1 set = disassemble
LG frame
& assemble
& measurement
• Roughly estimated
systematics ~ 0.4 p.e.
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Possible Further improvement
• Cerenkov light tends to have short wavelength (dN/dl~1/l2).
• Almost of glasses/plastics are not transparent for short wavelength
photon, although MPPC is blue-sensitive.
• Idea to detect more Cerenkov photon Shift wavelength longer by putting WLS material !
– Candidate WLS : organic (Kuraray Y11, B3), inorganic quantumdots (CdTl, etc)
• Polystyrene + organic WLS have proven this idea!
cosmic m
Black : polystyrene only (20 p.e.)
Red : Y11 added (136 p.e.)
(Green : B3 added (109 p.e.)
Base material
+ WLS
30mm
40mm
Photo-sensor
(MPPC)
Position dependence
MPPC is attached to the bottom to see effect of top/bottom readout.
Black : bottom readout
11.4 + 0.4 p.e.
Red : Upper readout
10.1 + 0.6 p.e.
Slight effect to reduce light yield (~10%) has been observed.
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System is kept at 25oC in thermostat chamber
Vbias = 53.5 V (Vbreak~52V)
Trigger generated by T1&&T2
Veto counter installed aiming for orthogonal-oriented trigger
All signals (MPPC, T1, T2, V) are read by charge-integrated ADC
(CAEN V772)
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