g−2

J-PARC E34実験のための 陽電子飛跡検出器の研究開発
東大理 D1 / 西村昇一郎
2015/02/10 21st ICEPP symposium @ 岳美山荘
Outline
•
J-PARC E34実験
•
•
•
ミューオンg−2/EDM精密測定
陽電子飛跡検出器の研究開発
•
シリコンストリップセンサー
•
読み出し回路の開発、評価
•
テストセンサーと読み出し回路の接続評価試験
まとめ
2
電気・磁気双極子モーメント
q
µ =g
2m
異常磁気モーメント(g−2)
aµ =
2
g
2
g
µ
µ
µ
µ
µ
…
s
標準理論の予測値と
実験値に3.3 σの乖離
→より精度を上げて
測定する必要あり
電気双極子モーメント(EDM)
d =
q
2mc
s
時間反転対称性を破る
時間反転
→CPT定理よりCP対称性を破る
これまで有限のEDMは発見されていない
電気・磁気双極子モーメント
q
µ =g
2m
異常磁気モーメント(g−2)
aµ =
2
g
2
g
µ
µ
g−2 ：
µ
µ
µ
…
s
標準理論の予測値と
実験値に3.3 σの乖離
→より精度を上げて
0.54 ppm → 0.1
ppm
測定する必要あり
−19
EDM：1.8×10
e
・cm →
電気双極子モーメント(EDM)
−21
10d =
q
e・cm
2mc
s
時間反転対称性を破る
時間反転
→CPT定理よりCP対称性を破る
これまで有限のEDMは発見されていない
ミューオンg−2/EDM精密測定実験
• スピンの方向に陽電子が多く放出される → 陽電子数を測定し、スピンの向きを測定
• 一様磁場中でのスピン歳差運動
aµ =
BNL E821 approach γ=29.3, (p=3.094 GeV/c)


e )  η #   E &,
ω = − +aµ B + % β × B + (.
m*
2$
c '-
FNAL E989
2
g
2
J-PARC new approach E=0

e #  η   &
ω = − %aµ B + β × B (
'
m$
2
(
)
J-PARC E34
J−PARC E34実験
全く新しい手法で異なる系統誤差で測定
4
J-PARC E34実験
ム
ー
ビ
子
陽 A
V
e
3 G 333 µ
表
ミュ
面
ミ
ュ
2 8 ーオ
M ン
eV ビ
ー
ム
ーオ
ニウ
ム生
成
極冷
ミュ
ーオ
ンビ
300
ーム
MeV
/c
66 cm
レーザー
Target
Mu
超低速ミューオン
~25 meV
物質生命科学実験施設 (MLF)
ミューオン基礎物理ビームライン (H-Line)
極冷 μ+ ビーム : 強度 106/sec
運動量 300 MeV/c (γ = 3)
pT/pL ∼ 10-5 偏極度 > 50 %
ミューオン
蓄積リング
(3 T 一様高磁場)
指向性の高い極冷ミューオンビームで
集束電場E=0を実現
5
g−2/EDMの測定原理
•
一様磁場中、電場E=0でのスピン歳差運動
q
g
2

e #  η   & aµ = 2 µ = g 2m s
ω = − %aµ B + β × B (
t
'
m$
2
(
EDM
Ntotal = N0 e
d =
s
(1 + Aµ cos ( t + ))
sumation
event
g−2
)
q
2mc
周波数ωからaµ決定
B
10
検出器レート
8
1.6 MHz/strip
Ntotal!
ミューオン
107
ωEDMはωg-2に比べて
非常に小さい
10
6
周波数ωと磁場Bを精密に
χ2 / ndf
Prob
0.4689
N0
1.944e+08 ± 1.739e+03
N
τ
6.614 ± 0.000
life time
測定 → aμを決定
10
5
Aμ
A g-2
0.3989 ± 0.0000
omega
ω
2.986424!±!0.000003
2.986 ± 0.000
目標精度
0.1 ppm
16 kHz/strip
997.8 / 995
δ
delta
0
5
-0.0001052 ± 0.0000312
10
15
20
25
30
!(μs)
35
40
45 50
time (µ s)
6
g−2/EDMの測定原理
•
一様磁場中、電場E=0でのスピン歳差運動
q
g
2

e #  η   & aµ = 2 µ = g 2m s
ω = − %aµ B + β × B (
t
'
m$
2
(
EDM
Ntotal = N0 e
d =
s
(1 + Aµ cos ( t + ))
sumation
event
g−2
)
q
2mc
周波数ωからaµ決定
B
10
1.6 MHz/strip
Ntotal!
ミューオン
運動の向き
検出器レート
8
107
ωEDMはωg-2に比べて
非常に小さい
10
6
周波数ωと磁場Bを精密に
χ2 / ndf
Prob
0.4689
N0
1.944e+08 ± 1.739e+03
N
τ
6.614 ± 0.000
life time
測定 → aμを決定
10
5
Aμ
A g-2
0.3989 ± 0.0000
omega
ω
2.986424!±!0.000003
2.986 ± 0.000
目標精度
0.1 ppm
16 kHz/strip
997.8 / 995
δ
delta
0
5
-0.0001052 ± 0.0000312
10
15
20
25
30
!(μs)
35
40
45 50
time (µ s)
6
g−2/EDMの測定原理
•
一様磁場中、電場E=0でのスピン歳差運動
q
g
2

e #  η   & aµ = 2 µ = g 2m s
ω = − %aµ B + β × B (
t
'
m$
2
(
EDM
Ntotal = N0 e
d =
s
(1 + Aµ cos ( t + ))
sumation
event
g−2
)
q
2mc
周波数ωからaµ決定
g 2
B
10
1.6 MHz/strip
Ntotal!
ミューオン
運動の向き
検出器レート
8
107
ωEDMはωg-2に比べて
非常に小さい
10
6
周波数ωと磁場Bを精密に
χ2 / ndf
Prob
0.4689
N0
1.944e+08 ± 1.739e+03
N
τ
6.614 ± 0.000
life time
測定 → aμを決定
10
5
Aμ
A g-2
0.3989 ± 0.0000
omega
ω
2.986424!±!0.000003
2.986 ± 0.000
目標精度
0.1 ppm
16 kHz/strip
997.8 / 995
δ
delta
0
5
-0.0001052 ± 0.0000312
10
15
20
25
30
!(μs)
35
40
45 50
time (µ s)
6
g−2/EDMの測定原理
•
一様磁場中、電場E=0でのスピン歳差運動
q
g
2

e #  η   & aµ = 2 µ = g 2m s
ω = − %aµ B + β × B (
t
'
m$
2
(
EDM
Ntotal = N0 e
s
(1 + Aµ cos ( t + ))
sumation
周波数ωからaµ決定
g 2
B
10
ミューオン
運動の向き
検出器レート
8
1.6 MHz/strip
Ntotal!
EDM
d =
event
g−2
)
q
2mc
107
ωEDMはωg-2に比べて
非常に小さい
10
6
周波数ωと磁場Bを精密に
χ2 / ndf
Prob
0.4689
N0
1.944e+08 ± 1.739e+03
N
τ
6.614 ± 0.000
life time
測定 → aμを決定
10
5
Aμ
A g-2
0.3989 ± 0.0000
omega
ω
2.986424!±!0.000003
2.986 ± 0.000
目標精度
0.1 ppm
16 kHz/strip
997.8 / 995
δ
delta
0
5
-0.0001052 ± 0.0000312
10
15
20
25
30
!(μs)
35
40
45 50
time (µ s)
6
g−2/EDMの測定原理
•
一様磁場中、電場E=0でのスピン歳差運動
q
g
2

e #  η   & aµ = 2 µ = g 2m s
ω = − %aµ B + β × B (
t
'
m$
2
(
EDM
Ntotal = N0 e
s
(1 + Aµ cos ( t + ))
sumation
周波数ωからaµ決定
g 2
B
10
ミューオン
運動の向き
検出器レート
8
1.6 MHz/strip
Ntotal!
EDM
d =
event
g−2
)
q
2mc
107
ωEDMはωg-2に比べて
非常に小さい
10
6
周波数ωと磁場Bを精密に
χ2 / ndf
Prob
0.4689
N0
1.944e+08 ± 1.739e+03
N
τ
6.614 ± 0.000
life time
測定 → aμを決定
10
5
Aμ
A g-2
0.3989 ± 0.0000
omega
ω
2.986424!±!0.000003
2.986 ± 0.000
目標精度
0.1 ppm
16 kHz/strip
997.8 / 995
δ
delta
0
5
-0.0001052 ± 0.0000312
10
15
20
25
30
!(μs)
35
40
45 50
time (µ s)
6
g−2/EDMの測定原理
一様磁場中、電場E=0でのスピン歳差運動
q
g
2

e #  η   & aµ = 2 µ = g 2m s
ω = − %aµ B + β × B (
t
'
m$
2
(
EDM
spin回転面
EDM
d =
s
(1 + Aµ cos ( t + ))
sumation
周波数ωからaµ決定
g 2
B
Ntotal = N0 e
q
2mc
event
g−2
)
ミューオン
運動の向き
10
検出器レート
8
1.6 MHz/strip
Ntotal!
•
107
ωEDMはωg-2に比べて
非常に小さい
10
6
周波数ωと磁場Bを精密に
χ2 / ndf
Prob
0.4689
N0
1.944e+08 ± 1.739e+03
N
τ
6.614 ± 0.000
life time
測定 → aμを決定
10
5
Aμ
A g-2
0.3989 ± 0.0000
omega
ω
2.986424!±!0.000003
2.986 ± 0.000
目標精度
0.1 ppm
16 kHz/strip
997.8 / 995
δ
delta
0
5
-0.0001052 ± 0.0000312
10
15
20
25
30
!(μs)
35
40
45 50
time (µ s)
6
g−2/EDMの測定原理
•
一様磁場中、電場E=0でのスピン歳差運動
q
q
g
2

e #  η   & aµ = 2 µ = g 2m s d = 2mc s
ω = − %aµ B + β × B (
AEDM sin( t + )
'
m$
2
up down asymmetry
(
g−2
B
e+
)
AU D =
EDM
Nup
AUD
1 + Aµ cos( t + )
0.04
磁場に垂直な面
dµ = 1
1.5
0.02
Ndown
0
EDMが10-21 e・cmの時、
と磁場 B のなす角：10 µrad
•
上下の非対称度 AU D
の振動を測定 → EDMの測定
Nup Ndown
=
Nup + Ndown
目標EDM感度
dµ 10 21 e · cm
AUD!
ωEDMによってスピン回転軸が
磁場から傾く
10 17 e · cm
1011 muon
-0.02
AUDの振幅 -0.04
→ EDMの大きさに比例
-0.06
χ2 / ndf
945.6 / 998
Prob
-0.08
0.8809
Asymmetry
AEDM
offset
-0.1
0
5
10
0.02294 ± 0.00001
-5.805e-06 ± 6.250e-06
15
20
25
30
!(μs)
35
40
45 50
time (µ s)
7
陽電子飛跡検出器
崩壊陽電子数と時間を正確に測定し、 検出器モジュール 同時に運動量と角度を測定する必要がある
陽電子飛跡検出器概念図
576!mm
!
400!mm
r
z
400mm
n"s
en
s
z
EDMを高感度で測定
高設置精度
!
or
s
•
• 高速応答
• 高安定性 Frontend"
electronics
ico
大強度パルスビーム
に対応
高granularity
•
(1vane x 48枚)
1"vane
Sil
•
r
(side"view)
T."Kohriki
!333
!mm !!
シリコンストリップセンサー
で実現
(top"view)
8
陽電子飛跡検出器
崩壊陽電子数と時間を正確に測定し、 検出器モジュール 同時に運動量と角度を測定する必要がある
陽電子飛跡検出器概念図
576!mm
!
400mm
n"s
z
400!mm
r
r
(side"view)
T."Kohriki
!333
!mm !!
シリコンストリップセンサー
で実現
en
s
z
EDMを高感度で測定
高設置精度
!
or
s
•
• 高速応答
• 高安定性 Frontend"
electronics
ico
大強度パルスビーム
に対応
高granularity
•
(1vane x 48枚)
1"vane
Sil
•
センサー面積：4.2 m2
総ストリップ数：811k
strips
(top"view)
8
飛跡検出器の開発状況
概念設計
•
センサー形状、配置の設計
•
シリコンストリップセンサー仕様の最適化
•
読み出し回路(SlitA)の仕様決定
Done
Done
読み出し回路
シリコンストリップセンサー
•
テストセンサーの製作
•
テストセンサーの基礎特性 と性能評価
•
S/Nの見積り(目標S/N>15)
SlitAの試作 (SlitA 2013)
•
SlitA 2013の性能評価 (古浦新司, JPS 2014A 30pTF-6) (調翔平, JPS 2014A 30pTF-7)
Done
Done
•
•
テストセンサーとSlitA 2013を接続した試験(Beam試験)
on going
•
フィードバックして実機を設計
9
センサー配置、形状設計
1"vane
•
Frontend"
electronics
1 vaneに12枚のシリコン r
(side"view)
400mm
•
vane48枚を放射状に配置
Sil
z
ico
n"s
en
s
or
s
ストリップセンサーを配置
•
EDM：磁場Bからのスピン軸
z
の傾きを測定
T."Kohriki
•
図のような検出器傾きが 偽のEDM信号を生じる
r
上図のミスアラインメントを10 µradの
(top"view)
精度で感知する必要がある
10
シリコンストリップセンサー仕様
厚さ320 µm
•
p+-on-n, Single-sided
軸方向(A)センサー
•
AC結合 > 100pF
74mm
72mm(
74mm
72mm(
102mm
バイアス抵抗 10MΩ(ave.)
104mm
•
動径方向(R)センサー
)
)
)))100)um)
))))))))))27)um)
))))))72)mm)
1024)
104mm
102mm
•
•
シミュレーションによりストリップ幅、間隔を最適化 (2013)
•
64 strip分のテストセンサーを製作
)
)
)))188)um)
)))))))))50)um)
))))102)mm)
384)
11
シリコンストリップセンサー仕様
厚さ320 µm
•
p+-on-n, Single-sided
軸方向(A)センサー
•
バイアス抵抗 10MΩ(ave.)
•
AC結合 > 100pF
動径方向(R)センサー
74mm
72mm(
74mm
72mm(
)
102mm
104mm
64 strips
)
)))100)um)
))))))))))27)um)
))))))72)mm)
1024)
)
)
)))188)um)
)))))))))50)um)
))))102)mm)
384)
104mm
102mm
•
64 strips
•
シミュレーションによりストリップ幅、間隔を最適化 (2013)
•
64 strip分のテストセンサーを製作
11
テストセンサー製作
•
浜松ホトニクス製
•
Belle-II DSSDと同じwaferで製作
A sensor
74.13 mm
DC)pad
AC)pad
100 µm
27 µm
poly/silicon)register
bias)pad
bias)ring
alignment)mark
8.53 mm
64 strips
顕微鏡で撮影
12
テストセンサー基礎特性評価
I-V測定 R sensor
0.5
9
0.45
×10
8
7.58
0.4
Current (µA)
C-V測定
1/C2 R
- V sensor
-6
7
0.35
6
0.3
5
0.25
0.2
Sensor Name
0.15
0.1
R-1
3
R-2
2
R-3
0.05
0
0
1/C 2 = (0.0796V + 0.07)
4
40
60
80
100
120
140
160
180
0
0
200
20
40
60
80 100 120 140 160 180 200
動径方向(R)センサー
軸方向(A)センサー
予想値
測定値
予想値
測定値
-
O.K.
-
O.K.
-
O.K.
-
O.K.
完全空乏化電圧
バルク容量
350 pF
93 V
360 pF
150 pF
73 V
170 pF
ストリップ間容量
6 pF
7.4 pF
4 pF
6.2 pF
検出器容量
22 pF
23 pF
14 pF
16 pF
目視確認
I-V特性
MIP模擬レーザー信号電荷量
6
1
R-4
20
10
2.4x10
2.6x10
2.4x10
2.5x10
期待通りの性能が 得られた
13
読み出し回路開発(SlitA)
•
読み出しASICの試作機SlitA2013を
5 mm x 5 mm
製作、性能評価を行った
•
SlitA2013
100 mm x 100 mm
Process: Silterra 0.18µm
S. Shirabe, S. Koura (2014)
PreAmp'
Comparator
Shaper
~100ns' DAC
good'S/N >me'walk'<'5ns
Analog'part
Compressor'
Serializer
TDC
5ns'>me'stamp
Digital'part
FPGA
40'μs'digital'memory'
Zero'data'suppress
SlitA2013
Evaluation Board for SlitA2013
Timetype
Walkのみ改善の 64ch proto
Process : UMC
0.25 μm 必要あり
-> Silterra 0.18 μm
Parameter
Requirement
Measurement
Gain
> 19 mV/fC
26 mV/fC
ENC
< 1600 e
< 1600 e
Dynamic Range
> 5MIP
> 5MIP
Time Walkを小さくする
Pulse Width
< 100 ns
80 ns
→ 次回試作(Slit128A) Time Walk
< 5 ns
~ 10 ns
# of channels
128
64
2014
11
21
analo
Gainを大きくして @J-PARC
に反映
14
センサー、読み出し回路接続試験(Beam試験)
評価項目
運動量の
一本の陽電子飛跡(~200 MeV/c)に対する応答 (電荷分布、時間分解能、Time over threshold、 Time walk)
った連続陽電子ビーム
東北大電子光理学研究センター
電子・陽電子ビームライン
(2014/09/26 ~ 30に実施)
•
陽電子飛跡がパイルアップした際の応答 (電荷分布、時間応答)
•
J-PARC実験環境でのノイズ測定 (S/Nの要求値 >15)
大強度パルスミューオンビーム
J-PARC MLF D-Line
(2014/06/14,15に実施)
最終実験環境での性能見積り
15
Beam試験の様子
2014/06/15 @ J-PARC MLF
2014/09/26 - 30 @ Tohoku Univ. e+ beam line
16
東北大Beam試験セットアップ
ビーム条件
陽電子: p=200 MeV/c
スピル長: 20 sec
平均レート: 400 e+/sec
ビームサイズ: σx: 10.3 mm σy: 7.0 mm
検出器セットアップ
Front
Sci.
(FS)
プラスチック
シンチ
BDC1 BDC2
ファイバーシンチ
DSSD1
A
R
DSSD2
シリコンストリップ
BDC3 BDC4
ファイバーシンチ
Back
Sci.
(BS)
プラスチック
シンチ
e+
EASIROC
WFD (Wave form digitizer)
TDC
Trigger
17
東北大Beam試験セットアップ(写真)
BDC
BDC
トリガーレート：45 Hz
Live time： 59 %
総トリガー数：2.25 M
e+
340 mm
363 mm
Front Sci.
DSSD1
A
R
DSSD2
Back Sci.
18
BDCを使ったトラッキング
1MIP = Signal ADC
Pedes
T. Nagasawa (2014)
BS 1&2
DSSD2
R-Sen
BDC4
BDC3
クを引く
A-Sen
トがある場合、トラッ
BDC2
BDC1
BDC4台の内、3台ヒッ
FS
•
DSSD1
Top View
CH5
CH21
CH37
CH53
CH8
CH22
CH38
CH54
CH7
CH23
CH39
CH55
CH6
CH24
CH40
CH56
CH9
CH25
CH41
CH57
CH10
CH26
CH42
CH58
x
!
y
BS 1&2
DSSD2
BDC4
BDC3
いる可能性が高い
R-Sen
FS
A,R sensorを通過して
BDC2
トラックが引けた場合、
BDC1
•
A-Sen
Side View
DSSD1
!
z
CH11
CH27
CH43
CH59
CH12
CH28
CH44
CH60
CH13
CH29
CH45
CH61
CH14
CH30
CH46
CH62
CH15
CH31
CH47
CH63
CH4
CH20
CH36
CH52
CH3
CH19
CH35
CH51
CH2
CH18
CH34
CH50
CH1
CH17
CH33
CH49
CH0
CH16
CH32
CH48
y
x
z
19
引けたイベントのみ の波形を重ね書き
•
陽電子飛跡の信号が
ノイズと明確に区別
250
200
Preliminary
3.6 fC = 1MIP 100
50
50
0
0
-50
0
50
100
150
200
要求値：S/N>15 A sensorでは要求を
満たす
-50
0
50
100
150
200
300
integral A
A sensor波高積分
integral R
R sensor波高積分
RMS
104
250
triggerからの時間(ns)
MPV=0.15
σ(Noise)=7.0×10-3
σJ-PARC(Noise)=7.4×10-3
5
MPV=0.10
0.002375
0.02846
S/N=21
3
10
5
10
350
Entries 3895800
Mean
0.00236
RMS
0.02834
σ(Noise)=6.4×10-3
σJ-PARC(Noise)=7.2×10-3
104
S/N=14
3
10
102
102
Preliminary
10
-0.1
-50
-100
350
triggerからの時間(ns)
Mean
events
•
300
3.6 fC = 1MIP
Entries 3895800
10
評価
250
Preliminary
200
100
6
電荷量からS/Nを 250
150
10
•
wave
form R BS1 trigg.
R
sensor波形
150
-50
-100
できている 波高 (mV)
BDCでトラックが form A BS1 trigg.
Awave
sensor波形
events
•
波高 (mV)
陽電子トラックに対する応答(S/N)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
電荷量 (pC)
0.6
0.7
0.8
Preliminary
10
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
電荷量 (pC)
0.6
0.7
0.8
20
Summary
•
J-PARC E34実験：ミューオンg−2/EDMを精密測定 g−2：0.1 ppm / EDM：~10-21 e cm
•
陽電子飛跡検出器の要素開発は終盤へ
•
シリコンストリップセンサー 仕様の最適化、テストセンサー製作、基礎特性評価を行い、 要求を満たすものが得られた。
•
読み出し回路（SlitA2013） 仕様決定、試作、性能評価を行い、ほぼ要求を満たすものが得られた。
•
Beam試験東北大とJ-PARCでデータ取得を行い、良好なS/Nが得られた。
•
今後、データ解析を終わらせ、次の試作及び実機の設計を行う。
21
Back up slides
22
共同研究者
KEK 田中真伸・池野正弘・内田智久＋Esysグループの皆様高力孝・上野一樹・佐々木修・三部勉・齊藤直人西村昇一郎（東大）九州大学吉岡瑞樹・東城順治・川越清以調翔平・古浦新司・長澤翼 JAXA 池田博一
23
センサーへの最大の入射角(λmax)
Δr(mm)
で決まるΔrの最大値
Δz (mm)
シリコン内での陽電子移動距離
陽電子の放出角度で
決まるΔzの最大値
信号領域
信号領域
(E>200MeV)
(E>200MeV)
崩壊時のエネルギー(MeV)
信号領域でのΔr, Δzの最大値
信号領域では
Δr < 0.22 mm Δz < 0.10 mm
で制限される
最適なストリップ間隔は
r方向 : 0.188 mm→0.22 mm
z方向 : 0.255 mm→0.10 mm
と決定される。
24
ヒットレートに対する要求
信号がパイルアップすると
時間情報がずれる
Threshold
→陽電子の時間スペクトルを歪める
→ωの値をずらす
許容されるヒットレート< 0.22 count/strip/100 ns
時間
アナログ波形
ストリップ間隔 r方向：0.22 mm
ビーム入射直後100 nsのカウント数 r方向
要求値
r(mm)
count/strip/100ns
count/strip/100ns
z方向：0.10 mm のときのレート
ビーム入射直後100 nsのカウント数 z方向
z(mm)
上記のストリップ間隔でレートの要求を満たす
25
検出器ミスアラインメントとEDM測定感度
Graph
設置精度とfake
EDMの大きさ
fake EDMの大きさ (e・cm)
fake EDMを目標感度より
•
10-19
も小さくするためには φ軸回転
φ軸回転： < 0.01 mrad 10-20
r 軸回転：< 0.2 mrad 目標感度
r軸回転
z軸回転： 100 mrad で
も変化なし 10-21
全体回転
の精度でアラインメント
する必要がある 10-22
10-3
全体回転： < 100 mrad 10-2
10-1
1
10
102
回転角度(mrad)
26

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