KOPIO実験のための中性子不感型光子検出器の設計開発

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1 KOPIO実験のための中性子不感型光子検出器の設計開発
京都大、京教大、高エ研 森井　秀樹、笹尾登、野村正、横山弘和、溝内健太郎、 隅田土詞、白井健雄、谷口七重、高嶋隆一、小林誠、谷口敬 Contents KOPIO実験とは Beam Catcher検出器 シミュレーションによる性能評価 エアロジェル透過率測定システムの開発 まとめ 2004/03/27

2 日本物理学会第59回年次大会@九州大学箱崎キャンパス
KOPIO実験の物理と目的 KOPIO実験 KOPIO：KL→π0νν測定実験＠BNL 小林･益川行列の複素パラメータ決定 　 Br(KL→π0νν) ∝ η2　～3×10-11(SM) －CP対称性の破れを特徴づける －理論的不定性の少ない スーパークリーンモードの一つ K中間子系のみでユニタリ三角形を構成 荷電K中間子の結果と合わせることで 標準模型を越える物理に感度 K中間子系とB中間子系での比較 2004/03/27

3 日本物理学会第59回年次大会@九州大学箱崎キャンパス
KOPIO実験のConcept KOPIO実験 イベントの同定 KL→π0νν 「π0からの2γ」 かつ 「他は何も検出しない」 →2γ 稀崩壊事象 & 終状態に検出可能な粒子がπ0のみ →バックグラウンドの除去が重要 　　　例えば…KL→2π0→γγγγ 崩壊領域を完全に覆うveto “microbunch” beam (25MHz、width 200ps) 光子の位置、 エネルギー、 角度、時間 を測定 KLのTOF π0→2γ崩壊の再構成 運動学的なカット 2004/03/27

4 日本物理学会第59回年次大会@九州大学箱崎キャンパス
KOPIO Detector KOPIO実験 2004/03/27

5 日本物理学会第59回年次大会@九州大学箱崎キャンパス
KOPIO実験の目標と今後の展望 KOPIO実験 Goal S/N比２で約40イベントを観測 今後の展望 2004年度 : 検出器R&D 年度 : 検出器量産(Beam Catcherは2006～) ビームライン建設 2009年度頃～ : エンジニアリングラン→物理ラン開始 2004/03/27

6 日本物理学会第59回年次大会@九州大学箱崎キャンパス
Beam Catcherとは Beam Catcher 　ビームホールを覆うγ線veto検出器 光子に対しては高検出率 300MeVのγに対して98%以上 高レート中性ビーム中に置かれる →ビーム中に大量にある中性子に対して不感 0.8GeVの中性子に対して0.2%以下 　このような要求を満たすため… チェレンコフ閾値型カウンタを分散配置 鉛コンバータ+エアロジェル エアロジェルを用いることで低速粒子に不感 モジュールを多数配置し、ビーム方向にCoincidenceをとる →中性子からのBackgroundを落とす top view side view 2004/03/27

7 日本物理学会第59回年次大会@九州大学箱崎キャンパス
Beam Catcherとは Beam Catcher γ線に対するイベントディスプレイ 中性子に対するイベントディスプレイ top view top view 電磁シャワーは前方へ広がる →ビーム方向にコインシデンス 2次粒子は等方的 →ビーム方向にコインシデンス確率低 side view side view 2004/03/27

8 シミュレーションによる性能評価 ─ 光子検出効率
エネルギー依存性 　　高透過率エアロジェルを採用で 300 MeV 　　　　　→要求を十分満たす 従来品では… 300 MeV →要求に満たない エアロジェルの光学特性が重要 従来のエアロジェル SP-50(n=1.05) 高透過率エアロジェル IY-46(n=1.046) 2004/03/27

9 日本物理学会第59回年次大会@九州大学箱崎キャンパス
エアロジェル光透過率測定システム エアロジェルの品質評価システム エアロジェルの光学特性が重要 光学系の最適化でも光量がやや不足 量産時の品質管理 →エアロジェルの光学特性を簡易に評価するシステムが必要 簡単に(実験室、デスクトップサイズ) 大量の(300 x 9 x 5枚)サンプルを測定 これを踏まえて… 光透過率測定システム Cherenkov発光量評価システム 2004/03/27

10 日本物理学会第59回年次大会@九州大学箱崎キャンパス
エアロジェル光透過率測定システム エアロジェルの光透過率測定システム 特徴 LED光源 + PMT 紫外・青・緑・黄・赤の5色 →透過率の波長依存性を測定 10cm角のサイズまで測定可能 5枚まで重ねて測定可能 →簡易に多数枚測定 複数の表面位置で測定可能 →透過率の位置による違い セットアップ 2004/03/27

11 日本物理学会第59回年次大会@九州大学箱崎キャンパス
エアロジェル光透過率測定システム 光学フィルタを用いた較正 反射型NDフィルタの透過率を測定 →カタログ/分光計の結果とよく一致 2004/03/27

12 日本物理学会第59回年次大会@九州大学箱崎キャンパス
エアロジェル光透過率測定システム 光透過率の測定結果 ─ 1枚での透過率 測定結果 透過率=A exp(-Ct/λ4) 吸収 散乱(レイリー散乱) →高透過率エアロジェルでは散乱による損失小 SP-50(n=1.05、従来型) IY-46(n=1.046、高透過率) 2004/03/27

13 日本物理学会第59回年次大会@九州大学箱崎キャンパス
エアロジェル光透過率測定システム 光透過率の測定結果 ─ 複数枚での透過率 複数枚を重ねて測定 →1枚ずつの測定から見積もられる透過率とほぼ一致 2004/03/27

14 日本物理学会第59回年次大会@九州大学箱崎キャンパス
エアロジェル光透過率測定システム 光透過率の測定結果 ─ 測定位置による違い 透過率の測定位置による違い φ2mmの光スポット 絶対値で5%程度のばらつき 2004/03/27

15 日本物理学会第59回年次大会@九州大学箱崎キャンパス
Summary Summary KOPIO実験(KL→π0νν測定実験)で使用する光子検出器“Beam Catcher” 中性ビーム中に置かれるγ線検出器 光子検出効率＆中性子不感性　→エアロジェルチェレンコフ型検出器 シミュレーションを用いた設計と性能評価 光子検出効率　→　光学系の最適化でも光量がやや不足 　　エアロジェルの光学特性が重要 量産に向けた準備 ─ エアロジェル品質管理システム 光透過率測定システム 　　　　　　LED + PMTのシンプルな構成で透過率を測定 　　　　　　実際に使用するサイズの試料を複数枚重ねて測定可能 　　　　　　透過率の位置依存性 　　　　　　　　→実際のサンプルで確認 チェレンコフ発光量評価システム 設計→ほぼ完了 完了 →次の講演で 2004/03/27

16 シミュレーションを用いたBeam Catcherの設計
シミュレーションによる設計 (Appendix) シミュレーションを用いたBeam Catcherの設計 設計の指標 均一かつ高い光子検出効率を持つこと 量産が容易であること 約500モジュールを配置 設計の手順 光学系の設計 (1モジュールでの最適化) 均一で高い集光率 シンプルなデザイン 分散配置での最適化 (多数モジュールでの最適化) 高透過率エアロジェルの採用 コンバータ配置 レイヤー数 検出条件 従来のエアロジェル SP-50(n=1.05) 高透過率エアロジェル IY-46(n=1.046) 2004/03/27

17 シミュレーションによる性能評価 ─ 中性子不感性
シミュレーションによる性能評価 (Appendix) シミュレーションによる性能評価 ─ 中性子不感性 中性子に対する検出効率 エネルギー依存性 0.8 GeV →要求をやや上回るが、時間分解能の向上で補える範囲 2004/03/27

18 エアロジェル光透過率測定システム (Appendix)
光透過率の測定結果 ─ サンプルによる違い 透過率の測定サンプルによる違い 2004/03/27