20/Dec/2010 End Year Meeting Kuno group M1 Takahiro Hiasa Beam test report Energy resolution of calorimeter for beam test at Tohoku Univ. 20/Dec/2010 End Year Meeting Kuno group M1 Takahiro Hiasa

Outline ○Introduction ・COMET experiment ・EM calorimeter ○EM calorimeter R&D ・outline of beam test at Tohoku Univ. this year ・install of detector ・how to analyze energy resolution of EM calorimeter ○Summary and feedback 本講演ではCOMET実験の電磁カロリメータの概要に関してと昨年行ったビーム実験との結果とそれに対する考察を発表したいと思います。 2 2 COMET collaboration 2

Introduction <COMET experiment> muon : 1011個/sec Proton beam from MR PAC in J-PARC approved Stage1 <COMET experiment> pion <physics> Charge Lepton Flavor Violation (cLFV) ~~ μ-e conversion ~~ muon : 1011個/sec μ‐ hit the Al or Ti   Detection of electron which energy is105MeV Measurement is impossible by Standard Model　(BR<10-54) まず、私たちが探索しようとしている物理現象は荷電レプトンフレーバー非保存現象の内のμ-e混合現象と呼ばれるものです。 これは荷電レプトンが世代間で混合するというものです。 この現象は現在の標準理論では観測不可能となります。 しかし、超対称性粒子を導入した大統一理論やsee-saw理論は現象の観測可能性を示唆しています。 つまり、この現象を発見すればそれらの理論の確立の裏付けの１つとなるのです。 そのために、我々はJ-PARCでCOMET実験を計画しています。 この図はCOMET実験のジオメトリーです。 まず概要としては陽子ビームをカーボンターゲットに当てπ中間子をソレノイド磁石で輸送します。 そして、π中間子の崩壊により1秒当たり1011個という大強度のミューオンを得ることができます。 そしてそのミューオンをアルミニウム標的で静止させ、そこで起こるμ-e混合現象起源の105MeVの電子を検出器部分で識別します。 現在のμ-e転換のBRのアッパーリミットはSINDRUMⅡの7×１0^(-13)で、COMET実験はさらに１００倍良い10^(-16)の感度があります。 我々はこのような手法でCOMET実験を計画しています。 Detectors ~ Introduction of Super Symmetry ~ Grand Unified Theory・see-saw Theory shows the possibility to discover the phenomenon, μ-e conversion. ↓ Discovery of new physics SINDRUM Ⅱ(present) at PSI BR(μ−Ti→e−Ti<6.1×10−13) COMET experiment 　at J-PARC BR(μ−Ti→e−Ti<10−16) 3

EM calorimeter <calorimeter’s role> ○To make event trigger ○To distinguish particles （to remove background particle） ○To confirm the momentum which Tracker measure. ・measurement of momentum ・specification of some accidental event 次に電磁カロリメータに関して説明します。 電磁カロリメータは検出部の最下流のこの部分に置かれる予定です。 大きさは直径１mで厚さは１１放射長となります。 電磁カロリメータには重要な役割が３つあります。 １つはイベントトリガーの作成です。 ２つめは粒子識別し背景事象と区別します。 ３つめはトラッカーの運動量測定の保障を行います。 保証方法として、運動量測定と同時事象の特定を行います。 これらの機能を満たす条件として以下が要求されています。 応答時間はJ-PARCのビームタイミングから100nsec以下であること。 位置分解能は1cmであること。 ソレノイドの強磁場中約１Tで動作可能であること。 エネルギー分解能はμ-e混合現象起源の電子のエネルギー105MeVに対して5%であることを要求しています。 これらの要求を満たすために、電磁カロリメータのR&Dを行っています。 < demand for calorimeter > ○time response < 100nsec （which is decided by hit rate） ○work in solenoidal magnet （magnetic field：1T） ○energy resolution(<5%@105MeV) 直径：1m 長さ：11X0 size 4

Energy resolution of EM calorimeter Energy distribution of incident electron Background Electron from μ-e conversion threshold A broken line: Energy distribution by calorimeter ＜making event trigger＞ When threshold is decided, energy resolution of EM calorimeter effects a rate of background for event rate of μ-e conversion. 105MeV ここで電磁カロリメータのエネルギー分解能に関して説明します。 これは電子のエネルギースペクトルの簡略図になります。 ピンクの実線が背景事象のスペクトルになります。 青の実線がμ-eコンバージョン起源の電子のエネルギースペクトルになります。 イベントトリガーを作成するためにしきい値を設定したとき、電磁カロリメータのエネルギー分解能が悪いとこの点線のようになります。 この場合、イベントrateに混入する背景事象の割合が多くてよろしくありません。 そのため、背景事象の混入割合を減らすために、電磁カロリメータで測定される右側のテールをシャープにする、つまりエネルギー分解能をよくすることが重要になってきます。 そのため、COMETの要求では5%とありますが、それ以上の性能であればより嬉しいのです。 End point of background End point of background by calorimeter It is important how shape of right tale become slender. 5 COMET collaboration 5

Energy resolution of EM calorimeter Energy resolution (right tail) : energy resolution : fluctuation of energy deposit in crystal : fluctuation of photon equivalent : fluctuation of noise simulation experiment We can estimate the fluctuation of photon equivalent and noise by 105MeV electron beam. まずここで、エネルギー分解能は何によって決まるか説明します。 分解能を左右するコンポーネントとして、エネルギー損失による揺らぎと、光子統計による揺らぎ、ノイズによる揺らぎが考えられます。 このうち、エネルギー損失による揺らぎはシミュレーションによって算出できます。 しかし光子統計の揺らぎとノイズの揺らぎは実験でしか見積もることができません。 そのため、COMET実験を想定したエネルギーのビーム実験により見積もる必要があります。 そこで私たちは昨年東北大学電子光理学研究センターで100MeVを用いたビーム実験を行いました。 We experimented by105MeV electron beam (22nd~27th/Nov/2010 @ Tohoku Univ. Research center for electron photon science) 6 COMET collaboration 6

Outline of beam test by 105MeV/c electron beam ○Purpose To achieve energy resolution dσ/dE < 5% ○geometry of beam test ○beam condition (electron beam) Beam energy : 75 MeV/c, 105 MeV/c, 125 MeV/c Beam expansion : RMS ~ 5cm Si-strip detector (30mm by 30mm) (position sensitive detector) calorimeter (188mm by 188mm) Electron beam Trigger counter (for cosmic ray) Trigger counter (for beam) (100mm by 100mm, thickness: 6mm) ~~~ We used GSO as crystal and MPPC as photo detector ~~~

Equipment Si-pixel detector (position detector) GSO with LAPD electron beam calorimeter Si-pixel detector (position detector) Trigger counter (for beam) (with MPPC) (for cosmic) GSO with LAPD ○Equipment Calorimeter (188mm by 188mm) 　　　 → energy resolution Si-pixel detector(30mm by 30mm) → decision of position Trigger counter (for beam)(100mm by 100mm) → trigger for beam Trigger counter (for cosmic) → trigger for cosmic Trigger counter (readout : MPPC) → trigger and time resolution of MPPC (100mm×10mm　thickness:3mm) GSO with Large APD(LAPD) 　 → comparison with MPPC All equipment is like this. In addition, We measure the performance in case of Large APD to compare with MPPC which is brought by Russian people. Also, we put two trigger counters with MPPC to realize the time resolution of MPPC.

Crystal and MPPC < GSO crystal> (2 plane is polished) 20mm×20mm×120mm The key is how this slow component of GSO effects the energy resolution. < MPPC > ・Good photo counting ・Workable in magnetic field ・ High gain (~106) ・Low bias voltage ・Good time resolution ☆We use S10362-33-050C (hamamatsu photonics co.) ・Effective area : 3cm by 3cm ・Number of pixel : 3600 pixel (pixel size : 50micron)

Drive circuit of MPPC Drive circuit LED GSO MPPC High path filter and Low path filter We put LED on the circuit. LED is to correct output of MPPCs and monitor the gain of MPPCs. GSO MPPC 18mm 18mm

Geometry of EM calorimeter Wrapping of crystal:Teflon sheet and tape Back plate : Teflon sheet and Aluminum plate Front plane : Aluminized PVC plate Taflon tape zone Center of beam Radius=3*RM Because we used 50 segments, we needed to calibrate them.

Back of calorimeter GSO crystal MPPC screw spring Al plate LED

Signal of oscilloscope

How to analyze energy resolution 1.calibration of each segment by MIP peak of cosmic ray ↓problem There is the possibility which MPPCs are saturated for cosmic ray. → to estimate energy of calorimeter for cosmic ray to include the effect of saturation. Reset of energy scale Fitting with simulation for MIP peak and getting the fitting parameter. Calibration of the energy for each segment with beam run on offline.

2.Cut of position by Si-strip detector ↓problem the center of calorimeter is not that of Si-strip detector → to estimate the center of calorimeter for Si-strip detector　with offline From 2D histogram, ADC distribution for 4 segments as center of calorimeter VS position for Si-strip detector, I should estimate position of center, cut around 2cm by 2cm for each histogram of segment and sum histograms of 50 segments.

3.Fitting ↓problem There is also the possibility with MPPCs are saturated for beam. I need to fit by using the value of energy deposit of simulation for beam and estimate the number of photon for calorimeter. ~~Results of analysis have been not yet finished~~

Summary EM calorimeter has most important role as event trigger. Energy resolution effect rate of background for event rate. This year we experiment with 50 GSO crystals and 50 MPPCs at Tohoku Univ. We use 105MeV electron beam whose expansion is 10cm. We need to consider with the saturation of MPPC for cosmic ray and beam to analysis. Analysis is coming soon

Back up

Equipment Si-strip detector (position sensitive detector) calorimeter Electron beam Trigger counter (for cosmic ray) Trigger counter (for beam) ○Equipment Calorimeter　　　 → energy resolution Si-strip detector → decision of position Trigger counter (for beam) → trigger for beam Trigger counter (for cosmic) → trigger for cosmic Trigger counter (readout : MPPC) → trigger and time resolution of MPPC GSO with Large APD(LAPD) 　 → comparison with MPPC

μ-e conversion

Hit rate of calorimeter

Introduction μ-e conversion

How to currect bias voltage Calibration of PDE of 50 MPPCs by LED. 1. We put LED on each diver circuit of MPPCs. 2. We subtract ADC count of pedestal from that of LED and made gain curve for each MPPC by LED 3. We re-supplied new value of bias voltage to calibrate PDE of MPPCs. ☆We set bias voltage such as ADC count of peak with 105MeV/c electron beam is near 2000 ADC count. Drive circuit LED 18mm GSO MPPC 18mm

How to calibrate ② Calibration of 50 segments by cosmic ray in offline analysis. 1. We took 242,120 events on cosmic run. (trigger rate ~ 3Hz) 2. We calculated the calibration factor for each segment and calibrate each ADC distribution of beam run in offline.

Analysis for energy resolution

Calibration of position by Si-pixel detector and energy resolution by cutting with position

Estimation of number of photon