日本物理学会第60回年次大会東京理科大学野田キャンパス 2005.3.27 オルソポジトロニウムの寿命測定による束縛系QEDの精密検証東大素粒子センター片岡洋介浅井祥仁、小林富雄、田中純一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 – しかし近年、色々な計算手法が提案されている – これらは実験的に検証しなければならない • オルソポジトロニウム（o-Ps）が最も有効なプローブ – 純粋にレプトンの系 (e+e-の束縛状態)、ハドロンのような強い力に伴う不定性がない – 寿命の直接測定が可能寿命約142ns – O(α2)の計算が提案された手法で実際に行われている  240ppmのO(α2)の補正を精密検証することが本実験の目的現在の状況 • 70、80年代 – o-Psの寿命問題理論計算とのsystematicなズレ • 90年代 – 東大グループの実験で解決 o-Psの熱化過程の取り扱いが不適切であった • 2000年代 – ミシガン大もこれを認める • 現在の実験精度約200ppm – O(α)の補正(約2%)は十分に検証された – O(α2)の補正(240ppm)を検証するさらに精密な測定が必要(60ppm程度) Phys.Lett 572 117（2001）オルソポジトロニウムの寿命測定 • 3γに崩壊 e+線源 γ ターゲット（ガス、シリカ） o-Ps生成 γ γ • pick-off Δt γ o-Ps 時間差Δtを直接測定物質(ターゲット) γ pick-offイベントの正確な取り扱いが実験のカギ • 東大グループのアプローチ – Ge検出器でエネルギースペクトルを測る – モンテカルロの3γスペクトルをnormalize  比を直接測定(時間依存性をもつ) – 熱化過程を考慮した正確な測定が可能エネルギースペクトル(2001) 2001年(前回)の実験実験精度 200ppm の内訳崩壊時間スペクトル(2001) • 統計エラー (170ppm) シンチ(NaI)の統計  10～20倍の統計で50ppm以下 • systematic エラー(150ppm) – 主な寄与はモンテカルロのnormalization に伴う不定性 110ppm Geの統計  10～20倍の統計で50ppm以下  前回の10～20倍の高統計な測定システムを構築する実験のセットアップ • 現在、より高統計なセットアップを準備中 – 速いシンチの導入 – 線源周りの改良  Ps生成の効率化 – DAQの高速化 2.5kHz Ge 3台、シンチ(YAP) 4台準備中 Ge検出器空調 D 6cm ±0.5℃ YAPシンチ 5cm*5cm*3.3cm 線源検出器真空容器エレキ PC D 6cm 線源プラシン(トリガー) シリカ速い無機シンチの評価速い無機シンチ • 時間分解能の向上 • pile upを抑える  この分、rateを上げることができるシンチ波形(FADC) NaI log scale  NaI (前回) τ= 230ns、Z=53  比較的長いdecay time ns log  GSO τ= 60ns、Z=64(Gd)  遅い成分(300ns)が比較的大きい～10% log  YLSO τ= 40ns、Z=71(Lu)、遅い成分がない  176Luのβ崩壊 (LSO 1g当たり80Bq)  YAP(YAlO3) τ= 30ns、Z=39(Y)、光量45%  遅い成分は%程度、採用 log GSO ns YLSO ns YAP ※YLSO,YAPサンプル KEK小林正明氏提供 ※GSOサンプル東大牧島研究室提供 ns YAPシンチレータの導入タイミングスペクトラム • 時間分解能の向上 σ = 400ps (NaI～2ns) ＠511keV • pile-upを抑える 1結晶あたりhit rate 約3倍(3.5kHz)にする  線源強度約10倍(0.4μCi)の高統計な測定が可能になる • 安定な物性潮解性のない、非常に硬い結晶。 YAP結晶サンプル(D25mm) 線源周り • トリガー 2001年のセットアップ – e+線源を薄いプラシンで挟む – アルミナイズドマイラーのコーンで光を収集 • e+線源前回 22Na Emax=545keV – 8割程度プラシン(100μm)中で対消滅今回 68Ge Emax=1.9MeV を採用  Geant4によるoptimize – プラシン200μm – 2割程度プラシン(200μm)中で対消滅 – 3割が有効(シリカ中でPs生成) – 半数はシリカを抜けビーカーに達する 1/2PMT フランジアルミナイズドマイラー線源周り(今回) 今回のセットアップ • anti-trigger ½インチPMT 1インチPMT – DAQのレート2.5kHzを有効に使うためシリカを抜けるイベントはトリガーを出さないライトガイド – 円筒状のプラシン(1mm)を用い、ビーカーの手前で捕らえる – 1インチPMT×2で読み出し  統計にして2～3倍の向上 • シリカエアロジェルプラシン (1mm) 68Ge フランジ PMT×3 プラシン (200μm) e+ シリカエアロジェルライトガイドプラシン(1mm) – パウダーは密度のコントロールが難しい – 0.03g/cm3のエアロジェルを採用エアロジェルビーカーまとめと展望 • 束縛系QED O(α2)の補正(o-Psでは約240ppm)を精密検証する実験を行っている • 東大グループの従来の測定と比べ、10～20倍の高統計な測定を可能にするセットアップを準備中 • 来年度、約半年のrunで統計エラー50ppm以下、 systematicエラーもこれ以下に抑える