CALET-TASCプロトタイプのCERN

CALET-TASCプロトタイプの
CERN-SPSによる性能実証試験
片平亮、植山良貴、小澤俊介、笠原克昌、金子翔伍、
小谷太郎、鳥居祥二、中川友進、中村政則、
仁井田多絵、村田彬、吉田圭佑、田村忠久 A 、
片寄祐作 B 、清水雄輝 C 、赤池陽水 D 、他CALETチーム
早大理工研、神奈川大工A、横国大工B、
JAXA/SEUCC、東大宇宙線研D
日本物理学会第69回秋季大会＠京都産業大学
13aSP-6
研究概要
研究目的
CALET-TASCプロトタイプのエネルギー決定精度および
電子陽子識別性能の実証
 CALETプロトタイプを用いたCERN-SPS加速器のビー
ム実験による較正
• 粒子数換算
• 出力の温度補正
 実験結果とシミュレーションの比較
• シミュレーションコードはEPICS、Geant4を使用
• 以下の値について、実験値とシミュレーションで比較
 粒子数分布
 エネルギー分解能
 シャワー横拡がり
 電子陽子識別性能
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CALET-TASCプロトタイプの構成
beam
Electronic Box
IMC
PWO+PMT(外側はESR)
78
318
350
120
[mm]
460
170
𝑥
𝑦
TASC
CALET プロトタイプ
•
•
•
•
𝑧
PWO+APD/PD(外側はESR)
PWO(19mm×20mm×326mm) 3本(X方向のみ)×12層
1層目：PMT読み出し(トリガー)
CALET実機と異なる
2層目以降：APD/PD読み出し
(16本×12層)
PWOの外側は反射材のESRで包装
PWOの本数以外は
CALET実機と同じ
Beam方向に対してPWOを12層設置→CALET実機と同じ放射長を再現
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27X0
シミュレーションとイベント選別方法
 シミュレーション
• EPICS v9.13(Cosmos v7.62)
 ハドロン相互作用モデル: jam、dpmjet3、qgsjet2
• Geant4 v4.94.p03
 ハドロン相互作用モデル: QGSP、FTFP
 イベント選別方法
• High Energy Shower Trigger
 IMCの7層目+8層目のエネルギー損失 ≧ 15MIPs
 TASCの1層目のエネルギー損失 ≧ 55MIPs
• 入射位置の選別
 Si Trackerから求めたシャワー軸がTASC中心から±5mm以内の
イベントを使用
• コンタミ成分＆マルチヒットイベント除去
 TASCにおけるシャワーの粒子数分布から除去
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Si Trackerを用いたPWOの座標算出
• PWOの位置を特定するため
にSi TrackerのStripを使用
• TASC各層について、PWOの
トリガー効率とSi stripの位置
の相関からPWO座標を算出
• Si Stripの間隔は0.732mm
Si Tracker
＊IMCは省略してある
TASC
beam
12本
フィッティング関数
Ttop 0
Ttop 1
Ttop 2
TASC1層目におけるトリガー効率
フィッティング関数のパラメータ(TASC1層目) [cm]
μ1
a
b
Ttop0
0.109
0.819
Ttop1
0.116
0.822
-1.11
Ttop2
0.125
0.820
0.815
μ2
σ1
-1.19
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0.744
σ2
0.117
0.123
-0.107
0.0924
粒子数換算
• ミューオンを入射したときの各PWOの出力波高分布に対して、Landau分
布にGauss分布を畳み込んだ関数でフィッティング
• フィッティング関数のMPの値を1MIPと定義する
• ミューオンの出力波高分布のうち、値が0.7MIP以上となる割合は約85%
で、前ページのトリガー効率の図とconsistent
pedestal
muon
0.7MIP
～85%
Gauss分布
あるPWOにおける出力波高分布
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Landau分布に
Gauss分布を畳
み込んだ関数
電子の出力を用いた温度補正
• PWOおよびAPD/PDの温度変化による出力の変化を補正
• TASCに熱電対を取り付け、温度を測定
• 電子150GeVを照射したときの装置の温度と各PWOの出力波高分布の
Meanの相関から、温度と出力の相関を求めた
• ミューオン照射時のTASCの温度(24.6℃)を基準として、出力値を補正
• シミュレーション(EPICS)と粒子数分布が最も合うのは24.4℃を基準にした
とき →温度測定の誤差：0.2℃
24.1℃
24.1℃
24.2℃
24.7℃
25.5℃
電子
150GeV
電子
150GeV
あるPWOにおける各温度での出力波高分布
ミューオン照射時
のTASCの温度
あるPWOにおける温度による出力の変化
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粒子数分布
• 実験結果とシミュレーションで粒子数
分布を比較した
• 陽子に関しては、異なるハドロン相互
作用モデルを用いて比較した
電子
100GeV
Exp
EPICS
Geant4
Experiment
EPICS① dpmjet3
EPICS② phits < 2GeV < jam
EPICS③ phits < 2GeV < dpmjet3
EPICS④ dpmjet3 < 80GeV < qgsjet2
Geant4① QGSP
Geant4② FTFP
陽子
350GeV
EPICS③
EPICS④
EPICS①
EPICS④
phits
< 2GeV
<
EPICS②
dpmjet3
<< 80GeV
Geant4①
dpmjet3
dpmjet3
80GeV
dpmjet3
< 2GeV < jam
Geant4
<phits
QGSP
<qgsjet2
qgsjet2
② FTFP
Meanは～1%
以内の範囲で
一致
Meanは～4%以
内の範囲で一致
TASCの粒子数分布の和
TASCの粒子数分布の和
Exp：ミューオン照射時のTASCの温度(24.6℃)を基準に出力を補正
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エネルギー分解能
peak
• 最頻値から±34%の範囲に入る
分布の幅の半分の長さをエネル
ギー分解能と定義
• 実験値とシミュレーションは0.4%
以内の範囲で一致
34%
34%
電子
100GeV
TASCの粒子数分布の和
Exp
EPICS
Geant4
フィッティング関数
𝑅 𝐸 =
𝑎
𝐸/100GeV
⊕𝑏
系統的誤差
統計的誤差
フィッティング関数のパラメータ
～0.5%以内の
範囲で一致
各エネルギーにおけるエネルギー分解能
𝑎
𝑏
Exp
1.96 %
0.934 %
EPICS
1.83 %
2.95×10-5 %
Geant4
1.95 %
3.10×10-5 %
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シャワー横拡がり
• IMCから求めたシャワー軸を利用して、TASC中のシャワーの横拡がりを算出
• シャワー横拡がりは電子陽子識別の際にパラメータとして使用
Experiment
EPICS① dpmjet3
EPICS② phits < 2GeV < jam
EPICS③ phits < 2GeV < dpmjet3
EPICS④ dpmjet3 < 80GeV < qgsjet2
Geant4① QGSP
Geant4② FTFP
電子
100GeV
Exp
EPICS
Geant4
陽子
350GeV
実験値とEPICS④
は～0.2%の範囲で
Meanが一致
Meanは～2.5%以
内の範囲で一致
TASCにおけるシャワー横拡がり
EPICS④
EPICS④
dpmjet3
< 80GeV
EPICS③
Geant4①
Geant4
EPICS②
dpmjet3
< 80GeV
EPICS①
<phits
qgsjet2
2GeV
QGSP
②
FTFP
phits
<<2GeV
<<jam
<
qgsjet2
dpmjet3
dpmjet3
TASCにおけるシャワー横拡がり
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電子陽子識別性能
• 電子100GeVと陽子350GeVを使用して、電子/陽子識別性能を検証
EPICS① dpmjet3
EPICS② phits < 2GeV < jam
• シャワーの形状の違いを利用
EPICS③ phits < 2GeV < dpmjet3
EPICS④ dpmjet3 < 80GeV < qgsjet2
Geant4① QGSP
実験
電子100GeV
Geant4② FTFP
陽子350GeV
横軸：シャワー横拡がり
縦軸：検出器下部の粒子数分布比
電子残存率と陽子残存率
±2σ
電子残存率
電子と陽子のイベント数と残存率の推移(実験)
電子
イベント数
生成イベント
ビームのコン
タミ粒子除去
入射位置選別
シャワートリガー
電子残存率
(%)
50146
17348
99.6
307332
80105
(7.48±1.56)×10
–5
–5
90.0%
(4.47±1.12)×10
電子100GeVと陽子350GeVのエネルギー損失
400000
100
90.0%
EPICS①
陽子残存率
400000
32717
17598
陽子
イベント数
実験値
陽子残存率
–5
EPICS②
90.0%
(7.26±1.42)×10
EPICS③
90.0%
(3.73±0.974)×10
EPICS④
実験
90.0%
(6.74±1.34)×10
Geant4①
90.0%
(3.13±0.904)×10
90.0%
(9.32±1.49)×10
–5
1
0.261
Geant4②
エネルギーカット
16979
96.5
4333
1.41×10-2
電子/陽子選別
15840
90.0
23
7.48×10-5
電子100GeV
陽子350GeV
実験値はEPICS②、EPICS④、
Geant4②と誤差の範囲で一致
シャワー形状による電子/陽子選別方法
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–5
–5
–5
・
・
まとめ
 CERN-SPS加速器のビームを用いてCALET-TASCプロ
トタイプの観測性能実証試験を行った
 実験値とシミュレーションで、以下の値について比較した
実験値と実験値に対するシミュレーションの差(%)
粒子
電子100GeV
陽子350GeV
実験値
EPICS(%)
Geant4(%)
実験値
EPICS(%)
Geant4(%)
粒子数平均値
4.04×103
1.08
1.72
5.92×103
-4.17*1
6.78*2
エネルギー分解能
2.09
-0.410
-0.240
シャワー横拡がり
平均値
0.826
-2.59
-2.35
1.05
-0.239*1
-1.16*2
実験値とシミュレーションの電子残存率と陽子残存率
電子残存率
陽子残存率
実験値
90.0%
(7.48±1.56)×10 – 5
EPICS*1
90.0%
(6.74±1.34)×10 – 5
Geant4*2
90.0%
(9.32±1.49)×10 – 5
*1 dpmjet3 < 80GeV < qgsjet2
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*2 FTFP
END
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粒子数分布のMeanの実験値とシミュレーションの差(%)
e- 10GeV
e- 30GeV
e- 100GeV
e- 150GeV
e- 290GeV
EPICS
-0.820
1.63
1.08
0.739
5.04
Geant4
-0.695
1.72
1.45
1.22
5.49
粒子数分布のMeanの実験値とシミュレーションの差(%)
p 30GeV
p 100GeV
p 350GeV
EPICS①
-13.6
-2.54
-7.01
EPICS②
-17.6
-3.67
-6.05
EPICS③
-16.0
-6.54
-10.0
EPICS④
-13.6
4.08
-4.17
Geant4①
-13.8
8.70
6.78
Geant4②
-15.9
-4.89
-10.6
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エネルギー分解能(%)
e- 10GeV
e- 30GeV
e- 100GeV
e- 150GeV
e- 290GeV
Exp
6.23
3.76
2.09
1.56
1.64
EPICS
6.02
3.31
1.60
1.28
0.947
Geant4
6.44
3.46
1.85
1.28
0.947
シャワー横拡がりのMeanの実験値とシミュレーションの差(%)
e- 10GeV
e- 30GeV
e- 100GeV
e- 150GeV
e- 290GeV
EPICS
-0.909
-1.75
-2.59
-2.89
-3.06
Geant4
-0.185
-1.31
-2.35
-3.42
-1.66
シャワー横拡がりのMeanの実験値とシミュレーションの差(%)
p 30GeV
p 100GeV
p 350GeV
EPICS①
2.58
0.629
1.04
EPICS②
-0.385
-1.54
-3.31
EPICS③
-1.62
-3.81
-0.566
EPICS④
-0.367
-1.61
-0.239
Geant4①
1.54
-2.20
-1.16
Geant4②
1.03
-2.31
-1.09
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𝑧
CALET検出器
<CHD> CHarge Detector
→ 電荷測定
• Plastic Scintillator
(32mm×10mm×448mm)
14本×2層(X,Y)
<IMC> IMaging Calorimeter
→ 入射粒子の飛跡測定、エネルギー測定
• Scintillating Fiber
(1mm×1mm×448mm)
448本×(X,Y)×8層
• W板
0.2X0×5枚+1X0×2枚(合計3X0)
<TASC> Total AbSorption Calorimeter
→エネルギー測定、粒子識別
• PWO(20mm×19mm×326mm)
16本×(X,Y)×12層(合計27X0)
1層目：PMT読み出し(トリガー)
2層目以降：APD/PD読み出し
𝑦
𝑥
12層
16本
16本
TASC構造図
326mm
PbWO4
(PWO)結晶
(SICCAS社)
20mm
Φ
8mm
19mm
13.4
mm
PMT(浜松ホトニクス社)
APD
19.7mm
PD
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APD/PD デュアルパッケージ
(浜松ホトニクス社)
TASCの信号読み出し
PD+Low Gain アンプに対する各チャンネルのgain比
13.4mm
19.7mm
PD
2.4×2.4mm2
S10937-9351
（浜松ホトニクス社）
APD/PD
gain
①APD+High
Gain Shaper
50
×
18
×
30
= 2.7×104
②APD+Low
Gain Shaper
50
×
18
×
1
= 9.0×102
③PD+High
Gain Shaper
1
×
1
×
30
=
30
④PD+Low
Gain Shaper
1
×
1
×
1
=
1
① APD + High Gain アンプ
② APD + Low Gain アンプ
③ PD + High Gain アンプ
④ PD + Low Gain アンプ
APD,PDに各々Gainの異なる回路を
用いることで
Effective ADC [ch]
APD
10×10mm2
アンプ
gain比
受光面積
比
ch
6桁以上のダイナミックレンジを確保
APD
4000
①
②
総gain比
PD
③
④
400
40
4
10-1 100 101 102 103 104 105 106
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[MIP]
Landau分布にGauss分布を畳み込んだ関数
ペデスタルのゆらぎをGauss分布を
畳み込むことで補正
分布がランダウ分布になると仮定
畳み込み
𝜎
・・・
Most Probable
Value (MP)
Gauss分布
𝑦 = 𝑔(𝑥)
𝑥
Landau分布
・・・
𝑦 = 𝑓(𝑥)
𝑥
Gauss distribution
𝑥2
𝑔 𝑥 =
exp − 2
2
2𝜎
2𝜋𝜎
1
Landau distribution
1
𝑓 𝑥 =
𝜋
∞
exp(−𝑡 log 𝑡 − 𝑥𝑡) sin 𝜋𝑡 𝑑𝑡
0
Landau分布にGauss分布を畳み込んだ関数 (𝑓 ∗ 𝑔)(𝑧)
(𝑓 ∗ 𝑔) 𝑧 = ∫ 𝛿 𝑧 − 𝑥 + 𝑦 𝑓 𝑥 𝑔 𝑦 𝑑𝑥𝑑𝑦
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CERN-SPS2011実験概要
Beam Tracker
• Si strip (Siの間隔:0.183mm)
512本(x方向)×4層(z方向)
512本(y方向)×4層(z方向)
512本を4本ずつまとめて読み出し
CHD
• Plastic Scintillator 4層(z方向)
(38mm×450mm×10mm)
PMT読み出し
IMC
CALETプロトタイプの上面図と側面図
• Scifi(1mm×448mm×1mm)
32本(x方向)×8層(z方向)
64chMAPMT×4で読み出し
• W板 0.2X0×5枚+1X0×2枚
(合計3X0)
実験に使用した粒子とエネルギー
粒子
電子
陽子
ミューオン
エネルギー(GeV/c)
10,30,100,150,290
30,100,350
150
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