RHIC-PHENIX実験におけるp+p衝突実験のための 鶴岡裕士／筑波大学／TAC／２００２年１月2３日 筑波大学大学院博士課程　数理物質研究科修士論文 RHIC-PHENIX実験におけるp+p衝突実験のための 衝突検出器の設計と開発 数理物質科学研究科２年次　　鶴岡裕士 　　　　指導教官　　　　　　　　　三明康郎 １．目的 ２．設計 ３．テスト実験（KEK） ４．製作、インストール ５．p+p衝突データ ６．まとめ http://utkhii.px.tsukuba.ac.jp/research/tzero/tzero.html １

１ｰ１ RHIC-PHENIX実験 p + p 衝突実験 新たなトリガーカウンターが必要 １ 目的 Au + Au 原子核衝突実験 １　目的 Au + Au 原子核衝突実験 　米国ブルックヘブン国立研究所（BNL）、 高エネルギー重イオン加速器（RHIC）にて 　　　2000‥　　　　　　　 　　　2001‥ クォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）　　　　　　　の生成･探求が目的 PHENIX p + p 衝突実験 　2001､12月　～ 　同一検出器の使用によって、 　p+pとA+Aの比較における系統誤差を小さくする 新たなトリガーカウンターが必要 ２

１-２．既存の衝突検出器 σ～115ps １ 目的 Vertex トリガーカウンター Beam Beam Counter １　目的 トリガーカウンター Beam Beam Counter 広島大　ΔT～40ps ストップカウンター　Time Of Flight 　筑波大　ΔT～80ps σ～115ps Vertex Beam　Line TOFmeasured – TOFexpected [ns] 右図　清道明男氏作成 ３

tof w. bbc-or-trigger / tof tof w. bbc-or-trigger / tof １-３．なぜ、新たなトリガーが必要か？　　2000年4月 １　目的 ①　TOFにHitするEventの収集効率を上げる ①　BBCでは、ΔTが悪い TOF BBC　PMT128本中 Au+Au　<100本　 , p+p　～3本 ～３３％ ～10％ T0 BBC tof w. T0-trigger tof w. bbc-or-trigger ②　BBCでは、EventにBiasがある BBC T0 Au+Au ～100% p+p (RQMD) 42% 29% p+p (Pythia) 51% 36% ALL 粒子数 tof BBC trigger tof w. T0-trigger / tof tof w. bbc-or-trigger / tof pt tof w. bbc-or-trigger / tof 表、下図　小野雅也氏、江角晋一氏作成 ４ T0 bbc tof w. T0-trigger / tof

２ｰ１．Time Zero Counter の設計 2000年4～6月 2　設計 B ～3k Gauss , 30° R=60m Beam Beam 1m z R s(dp/p) with T0 without T0 粒子識別されたハドロン測定のために 長さ1mで ΔT<80ps Optical Monte Carlo Simulation 高磁場下で運用可能 磁場中でのPMTのテスト no mult. scatt. momentum (GeV/c) GEANTによるシミュレーション　　　　　　　　　厚さ1.5cmのシンチレータを使った場合 ５ 左下図　團村絢子氏作成

２ｰ２．Optical Monte Carlo Calculation 2000年6月 2　設計 もし光電子が発生したら、１光電子分のパルスを生成 0.987 : Reflectance ※ n : # of reflect λ : Attenuation length V(t) photon disappear or none R V(t) threshold T1　　　　+　　　　　　T2　　　　　　　　　　+　　　T3　　　=　Tt Tt 　　　T T1 : Time for scintillator to emit photon　　　　　　　　　　　　　　　 Rise Time = 0.7 ns , Decay Time = 1.8 ns T2 = ( Optical path ) / c T3 : Transit Time and T.T.S in PMT　　　　　　　　　　　　　　　　　　Transit Time = 9.5ns , T.T.S = 440 ps TDC Time Resolution ６ ※　Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 349 (1994) 447-453

厚さ2cmのシンチレーターで、時間分解能～60ps ２ｰ３．Optical Monte Carlo の結果　　2000年6月 2　設計 ⊿TL ⊿TR x [cm] πｰ t=1cm t=2cm t=3cm 厚さ2cmのシンチレーターで、時間分解能～60ps ７

２ｰ４．PMT‥磁場に対する性能評価 2000年10月 R5924 浜松ホトニクス Fine Mesh 型 PMT 30° 15° 0° 2　設計 　R5924 　浜松ホトニクス 　Fine　Mesh　型　PMT 　T.T.S ～ 440ps 　gain 105～107 1 相対的な増幅率 30° Open -1600V Close -2000V 15° Laser B θ HV -2000V ‥‥ ～40Npe 　 -1600V ‥‥ ～160Npe 0.1 0° 10090 80 70 0° 時間分解能　[ps] 60 15° 50 30° 40 30 0 1 2 3 4 5 6 7 8 高磁場中でも、動作可能 磁場 [ k Gauss ] 電磁石提供　　KEK　佐藤任弘先生 ８

３ｰ１．KEKテストビーム実験 2000年12月 セットアップ 2GeV/c pi- beam π- start1 start2 veto 3　テスト実験 セットアップ 2GeV/c pi- beam start1 start2 veto define1 define2 T0 B-field π- KEK , T1ビームライン , No. T-479 ９

３ｰ２．得られた分布 2000年12月 ST1-ST2 Slewing correction 50ps TDC ST1-T0 ST2-T0 ３ｰ２．得られた分布　　　2000年12月 3　テスト実験 ST1-ST2 T0: 59ps ST1: 39ps ST2: 31ps Slewing correction 50ps TDC ST1-T0 ST2-T0 71ps 67ps ADC １０

３ｰ３．KEKテスト実験の結果 2000年12月 時間分解能 ～60psec 磁場の影響は少ない 時間分解能 [ psec ] 3　テスト実験 ⊿TL ⊿TR x [cm] πｰ B ⊿T 50 cm ΔTL ΔTR ΔT ΔTL ΔTR ΔT 　　2×2 OUT 　　2×2 IN 　　2×8 Open - Monte Carlo Close – KEK test ⊿T [25pse] 時間分解能 [ psec ] B [Gauss] 時間分解能 ～60psec x [cm] 磁場の影響は少ない １１

４ｰ１．製作　　　2001年4～10月 4　製作・インストール １２

４ｰ２．インストール　　　2001年11月末 4　製作・インストール １３

５ｰ１．陽子・陽子衝突で得られた分布 2001年12月 MIP 1m T0 Counter は正常に動作している 5 p+p実験データ ５ｰ１．陽子・陽子衝突で得られた分布　2001年12月 5　p+p実験データ MIP Energy Loss [MeV] T0TZC – T0BBC [ns] 1m T0 Counter は正常に動作している Z position [cm] １４

５ｰ２．Calibrationの現状 １ ２ ５ ６ 1. Time Conversion parameter 5　p+p実験データ 1. Time Conversion parameter １ ２ 2. Charge Conversion parameter 3. TVC/QVC pedstal 4. Light velocity in scintillator 5. Z position Offset ５ ６ 6. Energy loss Conversion factor 7. Time Offset MIP 8. Slewing Parameter 9. Global Time Offset Energy Loss [MeV] ⇔QVC[ch] Z [cm] Blue : complete Orange : Rough (as first order) Gray : after we get the track We will construct offline software to get the track. 2002年1月 １５

T0 Counter は trigger として有効 ５ｰ３．トリガーカウンターとしての役割　2002年1月 5　p+p実験データ pp collision 　～70 BBC trigger 33 T0 trigger 15 24 9 6 # of T0 Hit (with BBC trigger) BBC T0 p+p (RQMD) 42% 29% p+p (Pythia) 51% 36% T0 Counter は trigger として有効 １６

５ｰ４．陽子・陽子衝突での粒子識別 2002年1月 T0 Counter は 粒子識別に成功 5 p+p実験データ # of T0 Hit ５ｰ４．陽子・陽子衝突での粒子識別　　2002年1月 5　p+p実験データ # of T0 Hit (with BBC trigger) T0 Counter は 粒子識別に成功 清道明男氏　作成　2002年1月22日 １７

６．まとめ 6 まとめ PHENIX実験 p + p 衝突用トリガーカウンター（ Time Zero Counter ）を 6　まとめ 　PHENIX実験 p + p 衝突用トリガーカウンター（ Time Zero Counter ）を　　 設計・製作、そしてPHENIX検出器にインストールした。 　高磁場用Fine Mesh 型 PMT（R5924 HAMAMATSU）の磁場に対する性能評価を 　KEKにて行った。 　Fine Mesh 型 PMT とシンチレーター（BC404）を組み合わせることにより、 　トリガー及びスタートタイミングを高磁場中で得ることができた。 　時間分解能は～60psecを達成し、モンテカルロシミュレーションと近い値を得た。 　p + p 衝突実験において、Time Zero Counter は新たな衝突検出器として 　正常に動作しており、TOFを用いて、粒子識別を行うことができた。 今後の課題 　より正確にCalibration　Parameterを求め、粒子識別の精度を上げる。 １８

１－１．p+pデータの活用例 鶴岡裕士／筑波大学／TAC／２００２年１月2３日 The A+A collision as a sum of independent nucleon-nucleon (N+N) collisions. RAA 2 1 2 4 pT (GeV/c) Suppression of Hadrons with Large Transverse Momentum Phys. Rev Lett. 88 , 022301 , (14/Jan/2001) K.Adcox et al. (PHENIX Collaboration) １８

１-２．既存の衝突検出器 σ~90ps Vertex トリガーカウンター Beam Beam Counter 鶴岡裕士／筑波大学／TAC／２００２年１月2３日 トリガーカウンター　Beam Beam Counter ストップカウンター　Time Of Flight 広島大　ΔT～40ps 　筑波大　ΔT～80ps σ~90ps Vertex Beam　Line TOFmeasured – TOFexpected [ns] 右上図　清道明男氏作成 ３

２ｰ３．シンチレーターの厚さは？ BICRON BC-404 2cm×8cm×1m γ→e+e- の確率 時間分解能 ⊿TL ⊿TR 鶴岡裕士／筑波大学／TAC／２００２年１月2３日 BICRON BC-404 2cm×8cm×1m 　γ→e+e- の確率 　時間分解能 0.5×0.5 [cm2] 0.8×0.8 [cm2] 1.2×1.2 [cm2] 1.5×1.5 [cm2] 厚さ GEANTより 放射長より 2.0 cm 2.5 % 2.4 % 2.5 cm 2.8 % 3.0 % 3.0 cm 3.4 % 3.5 % ⊿TL ⊿TR x [cm] πｰ charged particle x [cm] 左図　Nucl. Instr. And Meth in Phys. Res. A347(1994)447-453　、　右図　小野雅也氏作成 ７

２ｰ３．ライトガイドの決定 鶴岡裕士／筑波大学／TAC／２００２年１月2３日 L=10 , 18 cm ７

Plastic Schintillator ２ｰ５．対生成電子測定のために 鶴岡裕士／筑波大学／TAC／２００２年１月2３日 PMT Photon Conversion Rejecter WLS-fiber （BCF-92） Plastic Schintillator (BC 404,BC408) Efficiency = 83.4 ± 0.2 % 團村絢子　自然学類卒業論文（2001年）より ９