TOP COUNTER (Time of Propagation) 名古屋大学　理学研究科 素粒子宇宙物理学専攻 高エネルギー物理学研究室 栗本　謙

発表の目的 高時間分解能を持つ光検出器のR＆D 発表概要 Belle実験  終状態のπ/K粒子識別が重要 　　　・光検出器の性能を測定する 　　　・測定するための装置の構築 発表概要 キーワード① Belle実験  終状態のπ/K粒子識別が重要 キーワード② 粒子識別装置  π/K識別を主目的とする検出器 キーワード③ TOPカウンター  新型粒子識別装置 Time Of Propagation(光子の伝播時間) 　　　　　　　　　　　　をもちいて粒子識別 私達は、Belle実験を行なっています。そのBelle実験で重要になってくるのが、B中間子崩壊後の終状態粒子である、π、K粒子を識別することが、重要になってきます。現在、Belle検出器にはπ/k粒子識別を主目的とする検出器が実装されています。この粒子識別装置の性能を向上させるために、私達はTOPカウンターというものを考案しています。TOPカウンターはTime Of Propagationの略で、光子の伝播時間を用いて粒子識別を行ないます。光子の伝播時間で粒子識別することから、高時間分解能を持つ光検出器が必要となります。そこで、今回の発表は高時間分解能を持つ光検出器のR＆Dを主に話したいと思います。具体的に、光検出器の性能測定、そして性能を測定するための測定装置の開発について後ほど話します。 キーワード④ 高時間分解能光検出器  TOPのために必要

Belle実験概要 ・ルミノシティ増強 ・検出器の性能アップ Super B-factory計画中 KEKB Belle 直径～１Ｋｍ Mt. Tsukuba KEKB Belle Belle検出器 3.5 GeV e+ 8 GeV e- 世界最高性能 ピーク・ルミノシティ 1.71 x 1034 cm-2s-1 積分ルミノシティ > 710fb-1 KEKB 加速器 : 電子陽電子衝突型加速器 私の研究室は、B-factory実験を行なっています。この実験では電子8GeV、陽電子3.5GeVの非対称なエネルギーで衝突させて、重心系エネルギー10.58GeVのY(4S)という共鳴状態を大量につくります。それから崩壊したB中間子を用いてCP対称性破れをはじめ、標準理論検証のための精密測定を行なっています。今後さらに精度よく標準理論を検証するため、また標準理論を超える新しい物理現象を検索するために、現在のルミノシティを約２０倍から１００倍に増強する、Super-B-factory計画が進行しています。それに応じてBelle検出器の性能を上げる計画も同時進行しています。 非対称エネルギー : 電子 8.0 GeV, 陽電子 3.5 GeV 重心系エネルギー : ECM = 10.58 GeV e- e+ ⇒ U(4S) → BB ・ルミノシティ増強 ・検出器の性能アップ Super B-factory計画中

Super B-factory用検出器 p/Kが識別が困難 ・Belle検出器の性能アップとは？ 崩壊後の終状態粒子を精度よく識別することが重要 (電子e、光子γ、陽子p、μ±、π±、K±、Kl) p K ~139.57MeV/c2 ~493.67MeV/c2 荷電ハドロン p/Kが識別が困難 ・TOF ・ACC ・CDC 粒子識別装置 現在実装されている p/K識別を主目的とする検出器 ・粒子識別装置のアップグレード 次世代型p/K識別装置TOPカウンター インストール予定位置 TOFカウンター Belleが目指す精密測定のためには、崩壊過程を正確に調べることが重要であり崩壊後の終状態粒子の候補である、電子e、光子γ、陽子p、μ±、π±、K± 、 Klを精度よく識別する必要があります。その中でもπとKは同じ荷電ハドロンであり、π(mass)=150MeV/c2、K(mass)=500MeV/c2と近い質量を持つことから、この２つの粒子を識別することが最も困難です。そのためにBelle検出器には粒子識別装置と呼ばれる検出器が使用されています。現在のBelle検出器Interaction Pointからの飛行時間を測定することでπ/k識別を行なうTOFカウンターが実装されています。私達の研究室ではこの位置にさらに識別能力の高い検出器の目指し研究開発を進めています。そして、ディテクターのπ/k識別能力を向上させることが私達の研究の目的です。 実験グループの目的　　　　　　　　　　 よりp/K識別能力の高い検出器　　TOPカウンター 1.5T 1.2m e- 8.0GeV e+ 3.5GeV 2.6m 改良型Belle測定器断面(案)

TOPカウンターの原理① 粒子識別の手法 運動量と速度の測定 (p = bgm) 質量同定 粒子識別 RICHによる粒子の速度測定 粒子識別装置(p/K) 粒子識別の手法 運動量と速度の測定 (p = bgm) 質量同定 粒子識別 運動量 ドリフトチェンバーで測定 速度粒子識別装置で測定 RICHによる粒子の速度測定 高エネルギー荷電粒子が屈折率 nの物質中を通過すると、速度によってのみ決まる方向に光子を放出 チェレンコフ光 そこでTOPカウンターは、どういうものかと言いますと、チェレンコフ光のリングイメージを利用した粒子識別装置です。TOPの粒子識別の手法は、粒子の運動量と速度を測定することによって、その粒子の質量を同定し粒子識別を行ないます。運動量はドリフトチェンバーで測定し、速度はTOPカウンターで測定します。TOPカウンターによる粒子の速度測定はチェレンコフ光を利用します。チェレンコフ光とは、粒子が媒質中で光速を超えて走ると放出する光の衝撃波です。その放出角θｃは速度によって決まりcosθｃ=1/nβの関係があります。このチェレンコフ光の放射角を測定することで粒子の速度を求め、そして粒子を同定することが、TOPカウンターの原理です。 チェレンコフ光の放射角 チェレンコフ光のリングイメージを観測することで速度測定(粒子識別)が可能！

TOPカウンターの原理② π/K粒子の識別 光子の伝播時間の情報 石英バー 光検出器 微小な時間差を識別する 高時間分解能光検出器が チェレンコフ光伝播距離の差 光検出器への到達時間の差 p/Kが同じ運動量ではリングの開きが異なる π/K粒子の識別 光子の伝播時間の情報 TOPカウンターは、チェレンコフ光の輻射体である石英バーと光検出器から成るシンプルな構造になっています。π/k粒子が同じ運動量、同じ位置、石英バーに対して同じ方向に入射した場合、上の図のように(π/kでは質量が違うので)チェレンコフ光の開き角に差が生じます。差が生じたことにより光の伝播距離に差が生じ、光検出器に到達する時間に差が生じます。つまりπ/k粒子のチェレンコフ光が光検出器に到達する時間が異なることと、光子の入射する位置の情報を利用してπ/k粒子の識別を行います。 y z 石英バーを上から見たとき(ｙ方向) 微小な時間差を識別する 高時間分解能光検出器が 必要となる x t x 検出光子数～20個 200ps

TOPカウンター用光検出器に求められる性能 高い時間分解能(１光子に対して40psec以下) 高いQE(~40%) 一光子検出が可能 磁場中で使用可能(B=1.5T) 位置分解能(5mm以下) これらの要求を満たす光検出器 TOPカウンター用光検出器に求められる性能としまして、一光子検出可能であること、高い時間分解能を持つこと(１光子に対して40ps以下)、高い検出効率を持つこと(~40%)、磁場中で使用可能であること、位置分解能5mm以下であることです。これらの要求を満たす光検出器としまして、現在、浜松フォトにクスと共同開発しています、マイクロチャンネルプレート型光電子増倍管(MCP-PMT)が最有力候補となっています。 現在、浜松ホトニクスと共同開発している マイクロチャンネルプレート型光電子増倍管(MCP-PMT)

いかにMCP-PMTが高時間分解能光検出器 を実現しているか？ ~1cm 10mm ～400μm MCP-PMTの動作原理と特徴について話します。MCP-PMTは光電効果を起こして電子を放出する光電面と、その電子を増幅するMCP、増幅された電子を読み出すためのアノードから成っています。MCPは直径10μmの筒状のガラスパイプチャンネルを多数重ねた構造になっています一枚のMCPの幅が400μmでそれを2枚重ねて二段構成にしています。よって、800μmと非常に短い距離で電子を増幅することによって、高速応答を可能にしています。そして、この２段のMCPの増幅率は106倍もあるので、一光子検出を可能にしています。 φ~10mm程度のガラスパイプチャンネルを多数束ねた構造 チャンネル各々が独立した二次電子増倍部 Gain~106倍 800mmという短い距離で増幅高速応答 磁場中(1.5T)でも使用可能

どのような光電面材料でMCP-PMTの検出効率を上げるか？ GaAsP光電面 (最大QE:~40%) 光検出器での検出光子数～20個 長波長側に鋭いピーク 検出光子数を増やしたい マルチアルカリ光電面 (最大QE:~20%) QE1光子が光電面に入射し 光電効果を起こす確率 石英中を様々な波長のチェレンコフ光が伝播 波長によって群速度が異なる 次はMCP-PMTの光電面についての話ですが、先ずは石英バーについての話をしたいと思います。石英バー中を伝播するチェレンコフ光は、様々な領域の波長を持っています。そのことによって、TOPカウンターにとってありがたくない問題が生じます。それは、石英バーを伝播する光の群速度が波長に依存するという問題です。左上の図は群速度と波長の関係を表したものです。短い波長領域では、群速度の揺らぎが大きいのに対して、長い波長領域では、群速度の揺らぎが小さくなります。つまり、群速度の揺らぎが大きいほど時間分解能の悪化に影響します。左下の図は比較のためにマルチアルカリ光電面とGaAsP光電面のQEと波長の依存性を表したものです。グラフから分かるように、マルチアルカリ光電面に比べGaAsP光電面のほうが長波長側に高いQEをもっています。これらの関係から波長領域400~700nmに高い感度をもつGaAsP光電面をMCP-PMTに採用しました。 群速度の波長依存性による 時間分解能の悪化を抑えるため 高波長領域に感度(QE)の高い GaAsP光電面を採用 群速度と波長の関係

GaAsP光電面MCP-PMTプロトタイプ 5mm 20mm プロトタイプ 角型MCP-PMT 有効面積比 78% 4chアノード(位置分解能～5mm) 右上の図はGaAsP光電面MCP-PMTのプロトタイプの写真です。有効面積比７８％でアノード側で４chに分割されています。実際このプロトタイプのMCP-PMTが要求される性能を満たしているかを検査するために次のような測定を行いました。 このMCP-PMTが要求される性能(特に時間分解能) を満たしているか検査するため、次のような測定を行なった

測定項目 光学系セットアップ １光子検出可能か？ Gain(増幅率) 時間分解能σ レーザーの光はND filterを使いsingle MCP-PMT NDフィルター 光ファイバー Black Boxの中 BLACK BOX 光ファイバー PLP ND filter 電気信号 光 光 MCP-PMT MCP-PMTが１光子検出可能であるかどうか、MCP-PMTの時間分解能、Gain(増幅率)を測定しました。先ずは光学系のセットアップについて説明します。光学系のセットアップ図はこのようにピコライトパルサーと暗箱から成っており、暗箱の中にPLP head、NDフィルター、MCP-PMTが入っています。使用していますピコライトパルサーは浜松フォトにクス製で、波長408nm、ジッター<±10ps、pulse width~半値幅で50psです。このピコライトパルサーから１kHzで光を出し、光ファイバーを通って暗箱内部にあるヘッド部分から光を出します。その光をND filterで減光して一光子レベルまで光量を調節します。ここでND filterを斜めに設置したのはfilterで反射した光がMCP-PMTに到達するのを防ぐためです。そして、この減光された光がMCP-PMTに到達し電気信号として読み出し線に送られます。これらのセットアップによって一光子レベルの環境を作り、MCP-PMTの時間分解能、Gainを測定します。 HPKco. PLP 波長408nm ジッター<±10ps pulse width~50ps (FWHM) レーザーの光はND filterを使いsingle photo-electronレベルまで減光させた

回路系セットアップ 回路系の時間分解能 σ~8psec PC HPKco. High Speed AMP Gain36dB(~63倍) 帯域幅1.5GHz CAMAC (daq system) PC 光 ファイバー ND filter MCP-PMT 光 Camacクレート ADCとTDCはCamac クレートに設置 (PCによって制御) 可変Attenuater 1~11dB 帯域幅18GHz ADC0.25pC/count TDC25psec/count NIMクレート 帯域の狭い機器を使用するとシグナルの高周波成分が落ちる　 次に、回路系のセットアップについて説明します。ピコライトパルサーからでた光がMCP-PMTで電気信号に変換されアッテネーター、アンプを通ります。アンプはGainが36dB、帯域幅が1.5GHzのハイスピードアンプを使用しています。アッテネーターは1～11dB、帯域幅は18GHzのものを使用しています。ケーブルはSMAケーブルを使用し、帯域幅は18GHzになっています。回路系で使われている、アンプ、アッテネーター、ケーブル類、モジュール類はなるべく帯域の広いものを仕様しました。帯域の狭い機器を使用するとシグナルの波形がナマり、回路系の時間分解能の悪化につながると理由です。ディバイダーで信号が２つに分けられ、片方がADCに入りADCゲートに入った信号の電荷量を測ります、もう片方がディスクリミネーターで矩形波に変換されTDCストップに入りTDCスタートとTDCストップの時間差を測ります。ディバイダーとディスクリミネーターは、このようにNIMクレートに設置されています。ピコライトパルサーの光を出すタイミングと同期したクロック信号が、ADCゲート、TDCストップに入ります。ADCは信号の出力電荷量を測定するもので、TDCは光が出てから検出されるまでの時間を測定するものです。ADC、TDCのモジュールは、Camacクレートに設置されていて、PCによって制御されています。ADCは0.25pC、TDCは25psの単位で計測できます。このようにして、MCP-PMTの時間分解能σ、Gainを測定しました。回路系全体での時間分解能を測定したところ、時間分解能が８psで十分MCP-PMTの時間分解能を測定できる環境が整っています。 シグナルの波形がナマる 回路系の時間分解能の悪化 回路系で使われている機材はなるべく帯域の広いものを仕様 回路系の時間分解能 σ~8psec divider,discriminateｒは NIMクレートに設置 SMAケーブル 帯域幅18GHz

１光子検出について １光子検出！！ 出力電荷分布 シグナル(~300mV) ノイズ(~10mV) ノイズと１光子シグナルを十分 １光子ピーク 500mV/div １光子のシグナル (0.25pC/bin) シグナル(~300mV) ノイズ(~10mV) 一光子検出がちゃんとできているかどうかについて話したいと思います。左上の図は、一光子あたりのシグナルをオシロスコープで見たものです。シグナルの波高はだいたい300mVでノイズの波高は10mVになっていることから、十分ノイズとシグナルを分けれていると言えます。さきほどの、セットアップのADCで出力電荷量を各イベントごとに測定しヒストグラムにしたものが右上の出力電荷分布になります。1binあたり0.25pcとなっています。出力電荷分布より、一光子のピークが見られます。ちなみに分布図での白い部分はペデスタルといい、信号が来てないときの出力電荷量となります。このペデスタルの幅はノイズの大きさの指標となります。出力電荷量分布の１光子ピークから、一光子あたりのGainを計算したところ、1.4×10^6となりシングルフォトンレベルで目標の10^6のGainが出せています。これらのことから、十分一光子を検出できているということが言えます。 ノイズと１光子シグナルを十分 分けることが可能 ADC分布より、一光子 ピークが見える 出力電荷量のピークからGainを計算 Gain=1.4×10^6 + + １光子検出！！

時間分解能測定 σ<40psec 達成！！ 補正 Time Walk Correction 光が出てから、検出される までの時間の分布 ⊿ｔ 時間のズレ threshold電圧 出力電荷量に依存した 検出時間分布 Time Walkとは？ 出力電荷量(ADC)が異なる Threshold電圧を越える時間にズレが生じる 補正 つぎに、MCP-PMTの時間分解能の測定について話したいと思います。左上の図は、光がでてからMCP-PMTで検出されるまでの時間分布になります。1binあたり25psのとなっています。つぎに、タイムウォークコレクションのついて話したいと思います。タイムウォークとは、右上の図から分かるように出力電荷量が異なる、つまりシグナルの波高が各イベントごとに異なることによって、threshold電圧を越えるタイミングにズレが生じ、そして検出時間にズレが生じることを言います。このズレを補正して、正確な時間分解能を出すことをタイムウォークコレクションといいます。左下の図は横軸を出力電荷量、縦軸を検出時間にしてプロットしたものとなっています。左下の図の左は、補正前の図で、出力電荷量と検出時間の関係から補正をして、出力電荷量の依存性をなくした補正後の図が左下の図の右となります。タイムウォークコレクションをした結果時間分解能35.18psが得られました。この時間分解能の値は、TOPカウンターが要求する光検出器の時間分解能の値40ps以下を満たしているということが言えます。 σ=35.33psec shift σ<40psec 達成！！

まとめ TOPカウンターに要求される性能を 十分に満たしていることを確認 測定するための装置の構築 回路系の時間分解能σ~8psec プロトタイプ 十分な精度で測定できる装置を構築した 今回、プロトタイプのMCP-PMT性能測定した結果 一光子での時間分解能 35ps 一光子検出可能 Gain 1.4×106 まとめとしまして、π/k識別装置TOPカウンターは位置と時間の情報からπ/kを識別するといことでした。そして、光検出器に要求される性能としまして、一光子検出可能で一光子に対しての時間分解能40ps以下ということでした。今回のプロトタイプのMCP-PMTの測定で一光子検出可能であることが確かめられ、時間分解能も要求される値40ps以下をマークしました。Gainの値も1.4×10^6の要求される~10^6をクリアしました。これで私の発表を終わりたいと思います。 TOPカウンターに要求される性能を 十分に満たしていることを確認