MICEのためのSci-fi検出器の開発 大阪大学大学院理学研究科 修士課程1年 坂本 英之 大阪大理(A) 青木正治 石井純子 久野良孝 坂井淳 佐藤朗 中丘末広 中原健吾 前田文孝 松島朋宏 松宮亮平 高エ研(B) 五十嵐洋一 吉村浩司 横井武一郎 目次 イントロダクション Neutrino FactoryとMICE MICE用飛跡検出器(Sci-fiトラッカー) ビームテスト ~3HFファイバーの性能評価~ セットアップ 解析および結果 まとめ Neutrino Factory 大強度・高エネルギー・高純度のニュートリノビーム 日本、ヨーロッパ、アメリカで計画中 ニュートリノ生成反応 μ→e νν 19 ~1021 muon decays per year 強度:10 ビームエネルギーEν:最大 50 GeV Neutrino Factoryでの物理 ニュートリノ振動実験, 深非弾性散乱実験(DIS) Cooling ! ヨーロッパ方式 効率よくミューオンを加速 させるためにミューオンビ ームのエミッタンスを小さ くする(cooling)必要があ る MICE(Muon Ionization Cooling Experiment) イオン化冷却法 ビーム冷却法のひとつ これまで実験されたことがない Z X MICEによりイオン化冷却法を実証 MICE 減速材で全運動量を落とし進行 方向に加速して並行ビームにして エミッタンスの縮小を行う ミューオンのエネルギーEμ=200MeV 冷却前後に配置されたトラッカーでエミッタンスを測定 3段でエミッタンスを10%減少させ1%程度の精度で測定 超伝導ソレノイド(5T) トラッカー [ エミッタンス測定 ] 減速材(液体水素) RF加速空胴(200MHz) 日,英,米の国際共同実験 2006年@RAL トラッカー [ エミッタンス測定 ] MICE用トラッカー 位置検出器を磁場中に置いてそこを螺旋軌道で進むビームの 飛跡を再構成することでエミッタンスを測定する トラッカーに要求される条件 エミッタンスを0.1%程度の精度で測定する 多重散乱の効果を抑えるため各面の厚さを輻射長の0.4%程度 高周波加速空洞からの2次電子やX線などの高バックグラウンドの 下で安定に動作する シンチレーティングファイバー (Sci-Fi)トラッカーが候補のひとつ Sci-fiトラッ カー ファイバーが満たす条件 Sci-Fiステーション クロストークがないこと 光検出器へ Sci-Fiステーションの拡大図 30cm ファイバー径:350μm 径が小さいので発光量が少ない クリアファイバー 各トラッカー 配置 トラッカー 端面 検出効率を上げるため 高い量子効率の光検出器を使用 →VLPC (Visible Light Photon Counter) 感度領域~500nm 2次蛍光体として3HF(3-Hydroxflavone ) をSci-fiに入れVLPCの感度領域まで波長変換 3HFファイバーの使用 2次蛍光体濃度と発光量・クロストークの関係 蛍光体によって光検出器の感度波長まで波長をシフトさせる クラッド ポリスチレン 1次蛍光体(pT) 2次蛍光体(3HF) コア λ=250nm 1次蛍光 2次蛍光 350nm 520nm VLPCの感度領域 2次蛍光体により1次蛍光が吸収される 1次蛍光のMeanFreePath(=2次蛍光体の濃度に反比例) ~ファイバー径 クロストークの原因 発光量の減少 2次蛍光体の濃度を上げて1次蛍光のM.F.Pを小さくさせる 3HFを使った実験@FNAL 3HF濃度と発光量の関係 3 1cm のシンチレーターを使用 →350μm径のファイバーで光量・クロストークについてチェック ビームテスト@ KEK-PS pi2 使用したファイバー: Kuraray SCSF-3HF 径:0.35mm, マルチクラッド, S-型 Standard primary(pT) + 3HF(2500ppm) Standard primary + 3HF(3500ppm) Standard primary + 3HF(5000ppm) 3HF(5000ppm) only 測定項目(4種類のファイバー) 平均光電子数 クロストーク 使用した光検出器: Hamamatsu R7899MOD 緑色に感度領域をもつ セットアップ(Sci-Fi) ファイバー一本毎に黒紙をはさんでいった 22mm 20本 Sci-Fi アルミナイズドマイラー PMT 20 fibers in 22 mm セットアップ (カウンター) TOF2 TOF1 D2 (8cm×8cm) (10cm×10cm) D1 Sci-Fi (1cm×1cm) (1cm×1cm) beam 暗箱 4970mm 550mm Trigger=全カウンターのcoincidence 取得したデータ Sci-Fi D1 D2 全てのADC・TDC 3080mm TOF2 ビームライン 解析 ~平均光電子数の評価~ 以下の関数でSci-FiのADCスペクトルをフィットし、平均光電子数μを求めた 15 Fit_func(x) N Poisson(n,μ) func _ np.e ( x,mn , n ) n 1 Poisson(n,μ) ne n! func _ np.e (x,mn , n ) :光電子数nの確率分布(ポアソン分布) :PMTで増倍された電子の数分布 40 Poisson(i, n gain_ 1st) Gaussian(x,n m1 , n 1 ) X:ADC値 N:規格化定数 n : 光電子数 μ : 平均光電子数 m n:nの時のADC値 σn:nの時のシグマ α:ADC値のスケール因子 Free parameterは N, μ, αの3つ! イベント数 i 1 較正により決める べき関数 1p.e.測定より決定する! 1p.e 2p.e 3p.e 4p.e ADC値 1photo-electron測定 測定方法 LEDからの光をNDfilterを通して1.p.e.が光見える程度まで 光量を落としてADCスペクトルを測定した フィッテング関数 10 イベント数 func _ 1p.e (x,m1 , 1 ) Poisson(i, gain_ 1st) Gaussian(x,m1 , 1 ) i 1 gain_1st = 4.4 m1= 10.5 σ1= 4.95 Fit_func(x)に入れフィッティング ADC値 平均光電子数) 結果Ⅰ ~平均光電子数~ pT + 3HF(5000) pT + 3HF(3500) pT + 3HF(2500) only 3HF(5000) 0.6GeV/c proton 0.7GeV/c proton 1.0GeV/c proton dE/dX(MeV/cm) この中ではpT+5000ppmが最も光量が多い 1次蛍光体なし・・ありと比べ40%の光量減 クロストーク測定 ファイバー2本毎に縛り黒紙をはさんだ このデータと先の1本間隔のデータの差が クロストークによるもの 平均光電子数 結果Ⅱ ~クロストーク~ pT +5000ppm pT +3500ppm pT +2500ppm only 5000ppm 2本毎 1本毎 dE/dX(MeV/cm) 誤差の範囲内でクロストークは見られなかった まとめ Neutrino Factoryの実現にはビームのエミッタンスを小さくする必 要があり、その方法としてイオン化冷却法がある。 MICEによりイオン化冷却法によるビームエミッタンス縮小の実証を 行う。この冷却効果を調べるため、Sci-Fiトラッカーの使用が検討 されている。 Sci-Fiトラッカーとして用いる3HFファイバーの性能をビームテ ストを行って評価した。 用意したファイバー: pT+5000ppm, pT+3500ppm, pT+2500ppm, only5000ppm ファイバーの光量: pT+5000ppmが最も光量が多かった 2 [email protected] → VLPCでの検出効率はほぼ100% クロストークの有無: 誤差範囲内でクロストークはなかった 今後の予定 プロトタイプ(3ステーション)の完成 プロトタイプで宇宙線テスト(10月@FNAL) 検出効率, 位置分解能の評価 高周波加速空洞からのバックグラウンドの下で動作確認 MICE用トラッカーの選択(10月末)
© Copyright 2024 ExpyDoc