鶴岡裕士／筑波大学／TAC／２００２年１月2３日 筑波大学大学院博士課程 数理物質研究科修士論文 RHIC-PHENIX実験におけるp+p衝突実験のための 衝突検出器の設計と開発 数理物質科学研究科２年次 指導教官 鶴岡裕士 三明康郎 １．目的 ２．設計 ３．テスト実験（KEK） ４．製作、インストール ５．p+p衝突データ ６．まとめ http://utkhii.px.tsukuba.ac.jp/research/tzero/tzero.html １ １ 目的 １ｰ１ RHIC-PHENIX実験 Au + Au 原子核衝突実験 米国ブルックヘブン国立研究所（BNL）、 高エネルギー重イオン加速器（RHIC）にて 2000‥ sNN 130GeV 2001‥ sNN 200GeV クォーク・グルーオン・プラズマ（QGP） の生成･探求が目的 PHENIX p + p 衝突実験 2001､12月 ～ sNN 200GeV 同一検出器の使用によって、 p+pとA+Aの比較における系統誤差を小さくする 新たなトリガーカウンターが必要 ２ １ 目的 １-２．既存の衝突検出器 トリガーカウンター Beam Beam Counter 広島大 ΔT～40ps ストップカウンター Time Of Flight 筑波大 ΔT～80ps σ～115ps Vertex Beam Line TOFmeasured – TOFexpected [ns] 右図 清道明男氏作成 ３ １-３．なぜ、新たなトリガーが必要か？ １ 目的 2000年4月 ① TOFにHitするEventの収集効率を上げる ～３３％ tof w. T0-trigger TOF ～10％ tof w. bbc-or-trigger BBC T0 ② BBCでは、EventにBiasがある BBC Au+Au ～ 100% p+p (RQMD) 42% p+p (Pythia) 51% T0 29% 36% 表、下図 小野雅也氏、江角晋一氏作成 tof w. T0-trigger / tof tof w. bbc-or-trigger / tof ４ ２ｰ１．Time Zero Counter の設計 2000年4～6月 2 設計 B ～3k Gauss , 30° Beam R=60m Beam 1m R z 粒子識別されたハドロン測定のために • 長さ1mで ΔT<80ps 115 80 Optical Monte Carlo Simulation 2 2 • 高磁場下で運用可能 磁場中でのPMTのテスト ５ ２ｰ２．Optical Monte Carlo Calculation (0.987)n exp( path ) QE 2 設計 2000年6月 もし光電子が発生したら、１光電子分のパルスを生 成 0.987 : Reflectance ※ n : # of reflect disappear λ : Attenuation length V(t) or none photon T1 + T2 + T3 T1 : Time for scintillator to emit photon Rise Time = 0.7 ns , Decay Time = 1.8 ns R V(t) threshold = Tt Tt T TDC T2 = ( Optical path ) / c T3 : Transit Time and T.T.S in PMT Transit Time = 9.5ns , T.T.S = 440 ps Time Resolution ※ Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 349 (1994) 447-453 ６ ２ｰ３．Optical Monte Carlo の結果 2000年6月 2 設計 πｰ ⊿TR ⊿TL x [cm] t=1cm t=2cm t=3cm 厚さ2cmのシンチレーターで、時間分解能～60ps ７ R5924 浜松ホトニクス Fine Mesh 型 PMT T.T.S ～ 440ps gain 105～107 θ B HV -2000V ‥‥ ～40Npe 1 30 ° Open -1600V 0.1 15 ° 0° Close -2000V -1600V ‥‥ ～160Npe 時間分解能 [ps] Laser 2 設計 2000年10月 相対的な増幅率 ２ｰ４．PMT‥磁場に対する性能評価 100 90 80 70 60 0° 15 ° 30° 50 40 30 高磁場中でも、動作可能 電磁石提供 KEK 佐藤任弘先生 0 1 2 3 4 5 6 7 8 磁場 [ k Gauss ] ８ ３ｰ１．KEKテストビーム実験 2000年12月 3 テスト実験 セットアップ 2GeV/c pi- beam start1 start2 veto π- define1 B-field T0 KEK , T1ビームライン , No. T-479 define2 ９ ３ｰ２．得られた分布 3 テスト実験 2000年12月 ST1-ST2 Slewing correction TDC ADC TDC a b ADC T0: 59ps ST1: 39ps 50ps ST2: 31ps ST1-T0 ST2-T0 71ps 67ps s21, s 2 s21 s22 2 2 2 s1,T 0 s1 T0 2 2 2 s 2,T 0 s2 T0 １０ ３ｰ３．KEKテスト実験の結果 πｰ B ⊿T ⊿TR 50 cm ΔTL 2×8 Open - Monte Carlo 時間分解能 [ psec ] 2×2 IN Close – KEK test ΔTR ΔT 100 90 80 70 60 50 40 B [Gauss] 磁場の影響は少ない ⊿TL x [cm] 2×2 OUT ⊿T [25pse] 3 テスト実験 2000年12月 0 20 40 60 80 時間分解能 ～60psec 100 x [cm] １１ ４ｰ１．製作 2001年4～10月 4 製作・インストール １２ ４ｰ２．インストール 2001年11月末 4 製作・インストール １３ ５ｰ１．陽子・陽子衝突で得られた分布 2001年12月 5 p+p実験データ MIP Energy Loss [MeV] T0TZC – T0BBC [ns] 1m T0 Counter は正常に動作している Z position [cm] １４ ５ｰ２．Calibrationの現状 5 p+p実験データ 1. Time Conversion parameter 2. Charge Conversion parameter 3. TVC/QVC pedstal １ 4. Light velocity in scintillator 5. Z position Offset ５ 6. Energy loss Conversion factor 7. Time Offset ２ ６ MIP 8. Slewing Parameter 9. Global Time Offset Blue : complete Orange : Rough (as first order) Gray : after we get the track 2002年1月 Z [cm] Energy Loss [MeV] ⇔QVC[ch] We will construct offline software to get the track. １５ ５ｰ３．トリガーカウンターとしての役割 pp collision 5 p+p実験データ ～70 BBC trigger 33 24 2002年1月 T0 trigger 15 9 6 T0 Counter は trigger として有効 １６ ５ｰ４．陽子・陽子衝突での粒子識別 2002年1月 5 p+p実験データ T0 Counter は 粒子識別に成功 清道明男氏 作成 2002年1月22日 １７ ６．まとめ 6 まとめ PHENIX実験 p + p 衝突用トリガーカウンター（ Time Zero Counter ）を 設計・製作、そしてPHENIX検出器にインストールした。 高磁場用Fine Mesh 型 PMT（R5924 HAMAMATSU）の磁場に対する性能評価を KEKにて行った。 Fine Mesh 型 PMT とシンチレーター（BC404）を組み合わせることにより、 トリガー及びスタートタイミングを高磁場中で得ることができた。 時間分解能は～60psecを達成し、モンテカルロシミュレーションと近い値を得た。 p + p 衝突実験において、Time Zero Counter は新たな衝突検出器として 正常に動作しており、TOFを用いて、粒子識別を行うことができた。 今後の課題 より正確にCalibration Parameterを求め、粒子識別の精度を上げる。 １８ 鶴岡裕士／筑波大学／TAC／２００２年１月2３日 １－１．p+pデータの活用例 The A+A collision as a sum of independent nucleon-nucleon (N+N) collisions. RAA sNN 17GeV 2 sNN 31GeV 1 sNN 130GeV 0 0 2 pT (GeV/c) 4 Suppression of Hadrons with Large Transverse Momentum Phys. Rev Lett. 88 , 022301 , (14/Jan/2001) K.Adcox et al. (PHENIX Collaboration) １８ 鶴岡裕士／筑波大学／TAC／２００２年１月2３日 １-２．既存の衝突検出器 トリガーカウンター Beam Beam Counter 広島大 ΔT～40ps ストップカウンター Time Of Flight 筑波大 ΔT～80ps σ~90ps Vertex Beam Line TOFmeasured – TOFexpected [ns] 右上図 清道明男氏作成 ３ 鶴岡裕士／筑波大学／TAC／２００２年１月2３日 ２ｰ３．シンチレーターの厚さは？ BICRON BC-404 2cm×8cm×1m γ→e+e- の確率 時間分解能 0.5×0.5 [cm2] 0.8×0.8 [cm2] 1.2×1.2 [cm2] 1.5×1.5 [cm2] πｰ charged particle ⊿TR x [cm] ⊿TL x [cm] 厚さ GEANTより 放射長より 2.0 cm 2.5 % 2.4 % 2.5 cm 2.8 % 3.0 % 3.0 cm 3.4 % 3.5 % 左図 Nucl. Instr. And Meth in Phys. Res. A347(1994)447-453 、 右図 小野雅也氏作成 ７ ２ｰ３．ライトガイドの決定 鶴岡裕士／筑波大学／TAC／２００２年１月2３日 L=10 , 18 cm ７ ２ｰ５．対生成電子測定のために 鶴岡裕士／筑波大学／TAC／２００２年１月2３日 Photon Conversion Rejecter PMT WLS-fiber （BCF-92） Plastic Schintillator (BC 404,BC408) Efficiency = 83.4 ± 0.2 % 團村絢子 自然学類卒業論文（2001年）より ９
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