フェルミ研ドレル・ヤン実験 SeaQuestの実験計画 東工大理、KEKA、理研B、山形大理C 宮坂翔、小畑滋希、工藤優弥C、後藤雄二B、澤田真也A、 Florian Sanftl、柴田利明、永井慧、中野健一、宮地義之C、 他SeaQuest Collaboration Contents 1. 陽子内の sea quark のフレーバー非対称度 2. フレーバー非対称度の起源 3. SeaQuest 実験 4. SeaQuest スペクトロメータ 5. Commissioning run 6. ビームラインのコミッショニング結果と予定 7. 検出器のコミッショニング結果と予定 8. まとめ 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 1 1. 陽子内の sea quark の フレーバー非対称度 • • 陽子内の sea quark、特に𝑑 𝑥 , 𝑢 𝑥 の研究 Gluon splitting 𝑢 𝑑 𝑢 𝑑 Drell-Yan 過程 • Naïve assumption 陽子中の存在量 𝑑 𝑥 = 𝑢 𝑥 • NMC (Muon deep inelastic scattering ,1991, CERN) 1 [𝑑 𝑥 − 𝑢(𝑥)] 𝑑𝑥 > 0 0 • E866/NuSea 実験 (Drell-Yan, Fermilab) 𝑑 𝑥 𝑢 𝑥 for 0.015 ≤ 𝑥 ≤ 0.35 （フレーバー非対称度） 𝑑 𝑥 𝑢 𝑥 ≃ 1.7 @ Bjorken 𝑥 ≃ 0.2 𝑑 𝑥 𝑢 𝑥 < 1?? @ Bjorken 𝑥 ≃ 0.3 ~70% asymmetry 𝑑(𝑥) 𝑢(𝑥) 𝑥 E866実験の結果とCTEQ による予想 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 2 2. フレーバー非対称度の起源 • パートンレベルでは – パウリの排他律 • 陽子は ( u, u, d ) で構成されているため、g → uu よりも g → dd の方が生成されやすい。 • この効果による非対称度は1% 程度 • 中間子・バリオンレベルでは 𝑑(𝑥) 𝑢(𝑥) – Meson-cloud model • 𝑝 = 1 − 𝑎 − 𝑏 𝑝0 + 𝑎 N𝜋 + b Δ𝜋 + ⋯ difference • 𝐮 → 𝐮 + 𝐝 + 𝐝 → 𝝅+ + 𝐝 (確率が高い) • d → d + u + u → 𝜋− + u 𝑑 𝑥 𝑢 𝑥 < 1 or 𝑑 𝑥 𝑢 𝑥 > 1????? @ Bjorken 𝑥 ≃ 0.3 𝑥 SeaQuest: 𝒅 𝒙 𝒖 𝒙 𝐟𝐨𝐫 𝟎. 𝟏 ≤ 𝒙 ≤ 𝟎. 𝟒𝟓 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 3 3. SeaQuest 実験 • E906/SeaQuest 実験 (Drell-Yan) • 𝑑 𝑥 𝑢 𝑥 for 0.1 ≤ 𝑥 ≤ 0.45 Drell-Yan 過程の断面積 𝑑2𝜎 4𝜋𝛼 2 1 = 𝑑𝑥𝑡 𝑑𝑥𝑏 9𝑥1 𝑥2 𝑠 𝑞𝑡 𝑥𝑡 𝑞𝑏 𝑥𝑏 + 𝑞𝑏 𝑥𝑏 𝑞𝑡 𝑥𝑡 ターゲット陽子中の anti-sea quark へアクセス Beam Energy: 120 GeV (SeaQuest) 800 GeV (E866/NuSea) • 𝑑(𝑥) 𝑢(𝑥) 前方測定のた め 断面積 : x7 ルミノシティ : x7 統計量 : x50 𝑥 SeaQuest の実験精度の予想 非対称度の求め方 1 2 Drell-Yan 過程 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 4 4. SeaQuest スペクトロメータ Drawing: T. O’Connor and K. Bailey • 日本グループはStation 3 の検出器の製作と運転を担当している • Station 3 には St.3+ DC と St.3- DCがある。 • トラッキングディテクターグループで中心となり働いている 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 5 5. Commissioning run • 2012年2月20日 ～ 2012年4月30日 – 120 GeV/c 陽子ビーム, 19 ns インターバル (53 MHz) – Beam 強度: 𝟏. 𝟎 × 𝟏𝟎𝟏𝟐 p/p, 5 s spill at 1 minute interval – Target: H2, Empty Flask, D2, Fe, C, W 正常に動作 • • • 2013年7月から2年間の物理ランを始める Beam 強度: 𝟏. 𝟎 × 𝟏𝟎𝟏𝟑 p/p, 5 s spill at 1 minute interval 2年間で約 𝟏. 𝟎 × 𝟏𝟎𝟏𝟗 個 の陽子を得る ミューオン対の飛跡の例 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 6 6. ビームラインのコミッショニング結果と予定 Commissioning run • Trigger & DAQ – 強度不安定なビームによる 大量のヒットを持つ “splat event” – そのようなイベントを除外するトリガーロ ジックを開発 – 現在加速器のアップグレードが行われて いる（電源安定等） ビーム強度 vs 時間 (ms) 物理ランに向けて • ２つのビームラインモニター – アンサーモニター （山田財団） – チェレンコフカウンター （科研費？） • • • ビームステータスを加速器メインコントロール ルームへ即座に送ることが可能 DAQ システムの veto 信号を作ることが出来る ルミノシティの正確な決定が可能になる 周波数領域 (Hz) 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 7 7. 検出器のコミッショニング結果と予定 Commissioning run • 検出器 (Hodoscope, Drift chamber, Drift Tube) – ノイズ除去、ホットチャンネルの問題は 早急に解決した。 – 安定して稼働した。 – トラッキング等の解析が進行中 ステーション３－のDCのワイヤーは全て自 分たちの手で張った 物理ランに向けて • ステーション１及び３－（下半分）のドリフトチェ ンバーのアップグレードが進行中 – 新しいステーション１のドリフトチェンバーは大き なブヨルケン x に対してのアクセプタンスを広げ 𝑦 る – ステーション３－のドリフトチェンバーの現状に ついては、26aHC-9:永井慧 によって詳しく発表 された • 5% の統計量増加が予想される 𝑥 • 5月に準備完了 + ステーション３での𝜇 のヒット分布（MCシミュレーション） 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 8 8. まとめ • SeaQuest 実験はドレル・ヤン過程を使って陽子内の 𝑑 𝑥 𝑢 𝑥 をブヨル ケン𝑥 が 0.1 ≤ 𝑥 ≤ 0.45 の範囲で測定する • 2012年春に２ヶ月間の commissioning run に成功した • 不安定なビームによる多数ヒットを持つイベント（ splat event ）を除くため のトリガーロジックが開発された • 加速器は現在アップグレード中 • ２つのビームラインモニターを製作中 • 検出器はビーム強度𝟏. 𝟎 × 𝟏𝟎𝟏𝟏 p/s の下でデータを取得することが出 来た • ドリフトチェンバーはトラッキング等の解析が進行中 • ステーション１と３の下半分のドリフトチェンバーを製作中 • 2013年7月から物理ランを開始する 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 9 Back-up 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 10 4. 物理ランに向けての ドリフトチェンバーの目標 • • • • 高効率でミューオンを検出する (~100%) 良質なデータを取得する 位置 vs 時間 情報 (x-t カーブ) 要求されている位置分解能を満たす 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 11 6. 物理ランの計画 2012/ May Commissioning run 2013/ July Upgrade 物理ラン (2 years) • ２年間で約 𝟏. 𝟎 × 𝟏𝟎𝟏𝟗 個 の陽子を得る • ステーション１及び３－（下半分）のドリフトチェンバーのアップグ レードが進行中 – 新しいステーション１のドリフトチェンバーは大きなブヨルケ ン x に対してのアクセプタンスを広げる – ステーション３－のドリフトチェンバーの現状については、 26aHC-9:永井慧 によって詳しく発表された 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 12 6. Splat event Event Display • 大量のヒットが spectrometer で観 測された (“Splat event”) • Hodoscope の hit からビーム構造を 読み取った – Sizable 60Hz components – Main injector problem • そのようなイベントを除外するため のトリガーロジックを開発 Splat event トリガーをかける前後約100 ns の範囲 での積算ルミノシティの量に応じてトリ ガーをかけるか否かを決定する • 十分な量のクリーンなイベントを取 得することに成功 クリーンな event 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 13 5. ドリフトチェンバーの commissioning の状況 高効率でミューオンを検出する (~100%) • • • • • HV: -2.4 kV, Gas: P8(Argon+Ethane) + CF4 Gas gain ~1.2E5 Single layer efficiency ~94% センス面は６層あることを考えると、この数値はもっと上げたい しかしこれ以上 HV を上げるとクロストークが増え、良質なデータが取れ なかった。 良質なデータの取得 • ドリフトチェンバーにHVを印加する回路に改善を施しクロストークの高さ を抑えることに成功した。 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 14 5. ドリフトチェンバーの commissioning の状況 位置 vs 時間 情報 (x-t カーブ) • チェンバー単体でローカルトラッキングを行なって求める • • • – ６層ある内の５層のヒットを使ってトラッキングを行い、そのトラックと６層目 のヒットデータを用いて、x-t カーブを求める トラッキングアルゴリズムは既にある 現在はこのアルゴリズムがどれほど正しいかをチェックしている。 １ヶ月以内にイタレーション解析を行い、最終的な x-t カーブを求める。 Garfield simulation による x-t curve 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 15 5. ドリフトチェンバーの commissioning の状況 要求されている位置分解能を満たす • • • 要求されている位置分解能： 400μm 同様に、ローカルトラッキングにより算出する。２ヶ月ほどかかる予定。 その結果により、物理ランでのチェンバーのセッティングを決める。 ドリフトチェンバーは物理ランの前までに準備が完了する 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 16 5. トラック再構成の手法 • • • • • • ドリフトチェンバーは６層のセンス面を持つ (V’, V, X’, X, U’ & U) X 面以外の５面がトラック再構成に使われる。 再構成したトラックが通る各面のセルの中にヒット があるときにトラック再構成が成功したとする。 X 面はx-t カーブを導出するのに使われる。 – トラックが通った位置 = ドリフト距離 (X) – トラックが通るX面のセルにあるヒットの測定 された時間 = ドリフト時間 (T) その (x, t ) の組み合わせをプロットをして、x-t カーブを作る 出来た x-t カーブをインプットとして使用し、再びト ラック再構成を行い、新しいx-t カーブを作る。そ のようなイタレーション解析が必要である。 Reconstructed track V’ layer V X’ X U’ U X is projected Reco. track plane not w/ 5 planes used in track reconstruction T of hit 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring Related hits X of track 17 “Splat” event • Large number of hits on all the spectrometer (“Splat”) • Trigger hodoscopes to see the time structure of beam intensity Event Display – Sizable 60Hz components – Main injector power supply? • “Splat block” was applied Splat block: Turn off triggers during high intensity beam based on an integral of beam intensity ~1.5 million di-muon events were recorded 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 18 Track Reconstruction and event status Geom. track or fit track N of total hits in one chamber < 20 V’ Find plane on layer U/U’ pair V Find plane on layer V/V’ pair Find line of intersection of the 2 planes (Geometry track) Fit the track Check the status of the fitted track X’ X Ignore Hit in the cell that the track passes through? (in V’, V, X’, U’ & U) “Related hits” U’ U 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 19 4. Time-to-distance curve Analysis procedure preliminary Event selection from raw data set Stub reconstruction Obtained T-to-X curve • T-to-X curve Iteration • • • • In the region of 0.1 < x < 0.8, this is consistent with the Dave’s curve within +- 10ns It doesn’t go through (X=0, T=0) point. That behavior can be expected from TDC dist. We so far believe that it is due to high e- threshold. Garfield simulation shows well the behavior around x = 0 Dave’s T-to-X curve, Projectsdoc-1561-v2. I made this curve from the Excel table. T-to-X curve by Garfield simulation, e- threshold = 20 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 20 6. 導出された x-t カーブ (x, t) をプロットしたもの。 各 T のbin において、 x方向にフィットを行った Garfield simulation による x-t curve • 黒の線 ：中心値を繋げたもの • 黒のエラーバー ：フィットの幅 • 青い線 ：インプットのx-t カーブ • 実データから導出されたx-t カーブはシミュレーションデータとほぼ一致した • 今後の予定：イタレーション解析、位置分解能の導出 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 21 2. SeaQuest 実験 • 120 GeV 陽子ビームを使った固定標的型実験 • 𝑑 𝑥 𝑢 𝑥 for 0.1 ≤ 𝑥 ≤ 0.45 • ドレル・ヤン反応から生成されたミューオン対 を観測する。 Beam Energy: 120 GeV / 800 GeV 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 22 Beam structure 2015/9/30 JPS meeting 2012 Autumn 23 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring Kenichi Nakano 24 Kenichi Nakano 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 25 Expected Mass Spectrum • How is the nucleon sea generated? Filter out resonances, and focus on DY. Mass spectra from E866/NuSea ECT* Conference, Trento, Italy May 2012 Nuclear Modification Nuclear Modification in DIS - Shadowing at low x - Enhancement below x ~0.3 - Suppression at larger x - Structure functions include both quark and anti-quark contributions - Measured for a broad range of targets (Ann. Rev. Nucl. Part. Phys., Geesaman, Sato and Thomas) Nuclear Modification in Drell-Yan (E772) - Drell-Yan accesses the anti-quark component - Binding mediated by pion exchange - Exchanged mesons contain anti-quarks enhancement PRL 64 (1990) 2479 No evidence of anti-quark enhancement in nuclei where did the pions go? 27 ECT* Conference, Trento, Italy May 2012 Nuclear Modification: E906 Nuclear Targets: Carbon, Iron, Tungsten • Nuclear Modification- complementary with DIS, extends previous Drell-Yan measurements – Extend to x ~ 0.45 • E772: 800GeV proton beam • Models must explain both Drell-Yan and DIS. 28 ECT* Conference, Trento, Italy May 2012 Why J/? • Are gluon distributions similar between p and n? x) J/ suppression in QGP g n ( • cc deconfinement 1? – J/ suppression against multiple effects: ( x) g pcompeting Absorption, CNM induced nuclear dependence Often assumed, but not necessarily fundamental annihilationfusion dimuon pair • qqgluon-gluon | 2 x 2 1 1 g ndx( x 2) 1 1 x 2 2 g x pu ( x2) DY J / pd pd J / DY pp pp 1 2 ECT* Conference, Trento, Italy May 2012 J/ Production: p-d, p-p • gluon-gluon fusion pd 1 1 g n x pp 2 g p x 2 Lingyan Zhu et al., PRL, 100 (2008) 062301 (arXiv: 0710.2344) • Gluon distributions between p and n are very similar • E866: Upsilon production • E906: J/ production ECT* Conference, Trento, Italy May 2012 Again, what about bound systems? • cc deconfinement J/ suppression in QGP – J/ suppression during QGP formation competing against multiple effects: absorption, energy loss within nuclei, etc How can we understand these “other processes”? ECT* Conference, Trento, Italy May 2012 J/ Nuclear Dependence A N A Suppression of J/ yield per nucleon • absorption ~ xF=0? – cc dissociation through interaction within nucleus or with comoving secondaries • parton/gluon energy loss? – loss in both initial and final states dE / dx q, g q q Cannot account for the suppression remains a mystery ECT* Conference, Trento, Italy May 2012 Partonic Energy Loss: pA1/pA2 • An understanding of partonic energy loss in both cold and hot nuclear matter is paramount to elucidating RHIC data. • Energy loss through cold nuclear matter • Pre-interaction parton moves through cold nuclear matter and loses energy • Apparent (reconstructed) kinematic values (x1 or xF)is shifted • Fit shift in x1 relative to deuterium (E906) Models: • Galvin and Milana • Brodsky and Hoyer • Baier et al. 33 ECT* Conference, Trento, Italy May 2012 •• Energy 1/s reveal no energy Fits on loss E866~data – larger at 120 GeV loss. • Correct forstatistics shadowing with DIS Sufficient to remove shadowing contribution – X2 anti-correlates withforx1low andxx2F shadowing contributions at large x1 • Measurements instead of limits – Caveat: A correction must be made for shadowing because of x1—x2 correlations – E866 used an empirical correction based on EKS fit to DIS and DrellYan. • Better data outside of shadowing region needed E906 expected uncertainties Shadowing region removed LW10504 34 ECT* Conference, Trento, Italy May 2012 Drell-Yan fixed target experiments at Fermilab • What is the structure of the nucleon? ➡ What is d / u ? ➡ What is the origin of the sea quarks? ➡ What is the high x structure of the proton? • What is the structure of nucleonic matter? ➡ Where are the nuclear pions? ➡ Is anti-shadowing a valence effect? • Do colored partons lose energy in cold nuclear matter? • SeaQuest: 2012-2014 ➡ significant increase in physics reach • Beyond SeaQuest ➡ Polarized Drell-Yan ➡ Pionic Drell-Yan 35 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 36 • Ｒｕｎ２１６６－２１６９：ＦＰＧＡ２Ｔｒｉｇｇｅｒ （Ｓｉｎｇｌｅｓ） Raw Rate = 88061212 After Inh Rate = 37185564 AcceptedTrigger = 601082 Ｒｕｎ２１５７－２１６１：ＦＰＧＡ１Ｔｒｉｇｇｅｒ （Ｄｉｍｕｏｎ） Raw Rate = 7029460 After Inh Rate = 385294 AcceptedTrigger = 189022 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 37 • Correlation to run • Y axis: Occupancy for each chamber (mean value), X axis: Run ID DC1 DC2 DC2 DC3p DC3m DC3m • With FPGA2(single trigger) (Run: 2166, 2167, 2168), the occupancy was low. • 2015/9/30 It is because of trigger type. Occupancy study 38 2015/9/30 JPS meeting 2012 Autumn 39 Readout electronics for drift chambers Wire chamber Amplifier card (ASDQ card) Amplifier Card Control Board (LS board) TDC To DAQ Noise PC • Set threshold • Send test pulse • All systems worked. • Communication problem between Control room (PC) and the Amplifier card control board Set independent network • Feedback from TDC caused noise Ferrite core was attached to remove the noise. 2015/9/30 Polarized Drell-Yan Meeting @Yamagata 40 St. 3 upgrade plan St. 3+ St. 3+ New St.3- St. 3Anti-symmetric Loosing acceptance at large x Acceptance recovery with New St. 3- • Merit of New St. 3• Stability … Any wire of old DC can break. • Statistics … We can have a symmetric acceptance. • Number of readout channels … 800 wires w/ 2-cm wire spacing … cf. old chamber: 1200 wires / 1-cm wire spacing 9/30/2015 SeaQuest Collaboration Meeting in Feb. 2012 41 Drawing of Cherenkov beam monitor 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 42
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