日本物理学会第61回年次大会愛媛大学、松山大学 2006.3.27 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QED – 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 G.S.Adkins(2000) • オルソポジトロニウム(o-Ps) – 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 • o-Ps寿命測定 term correction(ppm) tree level A (α/π) 0.0 -23893.9 B α2ln(1/α) -87.3 C (α/π)2 240.2 – 東大、ミシガン大によって精密測定が行われている – 現在の精度は約200ppm  さらに精度を上げてO(α2)補正項を検証実験手法 • 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（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(2001)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 4台（o-Ps寿命測定用） Ge検出器(同軸型) 3台（pick off rate 測定用）セットアップI 線源周り • β+線源 – 前回(22Na)はプラシン中で大部分が対消滅 – 68Ge (Eβmax1.9MeV)を採用 0.4μCi ½インチPMT 1インチPMT • 陽電子トリガー – 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 – 約半数のe+がシリカを抜ける（DAQレートを圧迫） – 円筒形プラシン(1mm厚)で陽電子を捕捉 68Ge 105mm e+ シリカエアロジェル 65mm セットアップII γ線検出器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 400ps @511keV • 優れた時間分解能(～400ps) • 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 解析I 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 cut 立ち上がり時間解析II 3γ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 解析III 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解析IV time spectrum fitting YAP time spectrum Fitting 関数 prompt 3γ decay curve Free parameter: λ3γ,N0,C accidental Systematic error Simulation(Geant4)で考慮されない検出器の特性が主要なエラー • SRT (遅い立ち上がり成分) 電場の弱い部分で SRTが発生 – 円筒同軸Geの複雑な電場 – Resolutionが悪く、テールになるため、 offlineでカット  Efficiencyを正確に見積もり、simulationに入れる必要がある cut 立ち上がり時間(50-150keV) (エネルギー依存性、位置(電場の強弱)依存性) G4(補正) • Response function – 電荷収集のもれ（特にSRT成分）やpile up 電荷収集のもれ – 2γピークの数や3γのスペクトラムを変化させる  正確に見積もり、simulationにフィードバック現在、スタディ中 G4 511keV peak pile up Life timeと今後の計画 • fitting start time依存性は比較的少ない 熱化過程の補正 Preliminary(系統誤差含まず) エアロジェルのラン(約2ヶ月) O(α2)計算値 • systematicなずれ  systematic errorを中心に現在調査中統計エラー 150ppm 次期計画 (データ収集開始) pick offが約1/3のシリカパウダーを採用  efficiencyなどpick offに比例するsystematic エラーを抑えるまとめ • 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ヶ月の運用で統計エラー150ppmのデータを収集 – 統計量の増加を確認 • 次の長期ラン(約半年)で統計エラーを100ppm以下に抑える • systematicエラーの評価と改善を行っていく