MEG実験用液体Xe scintillation detectorの レーザー逆コンプトンガンマ線を用いた性能評価 Kenji Ozone （ICEPP, Univ. of Tokyo, Japan） Contents 1. MEG experiment 2. 100-liter prototype 3. TERAS beam test 4. Summary The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

共同講演者 ICEPP, Univ. of Tokyo 小曽根健嗣、岩本敏幸、大谷航、澤田龍、西口創、久松康子、真下哲郎、 三橋利也、 三原智、森俊則＊、山下了、山田秀衛 RISE, Waseda Univ. 菊池順、鈴木聡、寺沢和洋、道家忠義、服部紘二、山口敦史、山下雅樹、 吉村剛史 IPNS-KEK 笠見勝祐、春山富義、真木晶弘 AIST 豊川弘之、大垣英明 PSI(Switzerland) S.Ritt INFN-Pisa (Italy) D.Nicolo’, G.Signorelli BINP-Novosibirsk (Russia) A.A.Grebenuk, D.Grigoriev, Yu.Yuri ＊spokesperson The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

Physics Motivation γ μ LFV process e μeγ崩壊探索を通じ、 LHCなどに先駆けSUSY-GUTを検証 SU(5) SUSY Ee = Eγ= 52.8 MeV Back to back J. Hisano et al., Phys. Lett. B391 (1997) 341 MEGA, Phys. Rev. Lett. 83 (1999) 1521 μeγ崩壊探索を通じ、 LHCなどに先駆けSUSY-GUTを検証 2006年初頭　　　PSIにてengineering run 開始 The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

MEG Detector の４ヶ国 （約５０人構成） COBRA Magnet Compensation Coil Drift Chamber Timing Counter 252cm LXe scintillation detector 262cm 　世界最大強度Surface m beam　～3×108 sec-1 　 　　　　　　　　　　　　の４ヶ国 　　　　　（約５０人構成） The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

LXe scintillation detector for the MEG experiment Liquid Xenon scintillator 2~10cmでconversion High light yield(75% of NaI) Fast decay(45nsec) Kamiokande-like 液体中のPMTでシンチ光を直接観測 PMT1000本、Xenon 800ℓ 低温 液体キセノン温度＝165K 冷凍機、２層容器 PMT 低温でも安定 物質量が少なくコンパクト Detector requirement Energy：　~2 % (σ) Time:　　~ 70 psec (σ) Position: 1~2 mm on 入射面, 　　　　7 mm in r (σ) g The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

100-liter prototype 目的 実機と同等の検出器を製作し、MEG実験の高い要求に応えられるか検証する。 372mm X 372mm X 496mm ■ 68.6-liter active volume ■ 228 PMTs 目的 実機と同等の検出器を製作し、MEG実験の高い要求に応えられるか検証する。 The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

Prototype tests 次の西口・澤田のtalｋで … 長時間安定性 PMTは±0.5%で安定 　　 3ヶ月間安定(冷凍機、エレキ、温度圧力モニター…) 高純度Xenon　　 Gas Xenon循環式純化装置の導入 不純物(主に水)の除去 λabs=10cm→1m Comptonγ線に Energy: 1.8%~2.0% (σ) 　対する性能評価 Position: 1.9mm ~ 3.8mm (σ) 　 (Preliminary) Timing: 139 psec (σ) Compton γ線に対する性能評価 　　Energy resolution 入射位置依存性 深さ依存性 10, 20, 40 MeV π-p →π0 n(55,83,129 MeV)による性能評価 　　次の西口・澤田のtalｋで …　 今回の発表は The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

Beam Test @ 産総研 Incident g-rays 10,20,40-MeV Compton edge 300mA, 800MeV 256nm Incident g-rays 10,20,40-MeV Compton edge Focused by 2 mmφ collimator The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

LED a LEDs and alpha sources LED gain(~1x106)補正 α線源 PMT出力モニター ＱＥ分布 α線源 PMT出力モニター Xenon純度モニター QE測定 a The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

Ｄ： Depth parameter g g 遠いイベントは分散が大。 MC simulation D＞45 近いイベントは分散が小。 入射面の光量分布における分散 イベントの深さと相関 The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

Energy resolution σ Convolution でfit 分解能はσで表される UPDATE: 入射γ線スペクトルをシミュレーションにより再現 　　　　　　　（今までは２次関数で近似） Response function σ 単色40MeV gamma (MC simulation) Expected incident Compton spectrum Convolution でfit 分解能はσで表される The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

Compton spectrum FWHM σ 入射スペクトルのシミュレート Systematic error 大 コリメータがずれてた場合 入射スペクトルのシミュレート Systematic　error 大 FWHM σ Systematic　error 小 幾つかのパラメータは幅があるが、 分解能をσで評価すればsystematicな誤差は減らせられる。 The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

Energy resolution (入射位置) Center of the incident face 1.7 % 10 incident points 1.7 % 1.7 % 1.7 % 1.6 % 1.7 % 1.6 % 1.6 % 1.7 % 1.7 % Center of the PMT g The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

Energy resolution (深さ) The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

Energy resolution (入射エネルギー) 55,83,129MeVについては次の次の澤田のtalkで。 The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

Summary エネルギー分解能（σ）は 入射位置依存性: 1.7 % 深さ依存性： 1.7%→1.0% (5cm→15cm) 産業技術総合研究所の電子蓄積リングTERASを用いたレーザー逆コンプトン実験により液体Xe scintillation detectorの性能評価を行った。 エネルギー分解能（σ）は 入射位置依存性: 1.7 % 深さ依存性： 1.7%→1.0% (5cm→15cm) エネルギー依存性： 3.1%→1.7% (10MeV→40MeV)　 と評価できた。 これらの結果はMEG実験の要求を満たす。 単色γ線では？　　　　次の西口・澤田のtalk The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

End of slides 28/Mar/2004 K. Ozone The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

Position reconstruction Principal components analysis を使って位置を再構成する。 MC 再構成されたX σ=1.7mm MC 再構成されたXと真のXとの差 σ=1.9mm The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

Position reconstruction in MC (-29,-31)に打ち込んだとき。 The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

Position reconstruction in exp 実際にexp dataに適用してみる。 σ=2.0mm 深いイベントほど真ん中に引っ張られる。 σ=2.2mm σ=1.9mm σ=2.0mm σ=2.0mm 深いイベントは中心に引っ張られるのでσは変わらないが再構成の分解能としては悪くなっている。 The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

Position resolution result by Hajime Center of the front face 10 incident points Center of the PMT The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

Position resolution (depth) The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

Summary MEG 実験用液体Xe scintillation detector の100-liter prototype を製作し、安定性のチェックやガンマ線検出性能の評価を行ってきた。 TERAS beam testに対し、これまで得られている分解能は次の通り。 Energy: 1.8~2.0 % (σ) Position: 1.9~3.8 mm in x-y (σ) Timing(Intrinsic): 139 psec 今回の解析により Energy: 1.7 % (σ) Position: 2.0~2.8 mm in x-y (σ) 　　期待できることが分かった。 単色のγ線では実際どうか？　　　　次の西口・澤田のtalk The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

Signal and Backgrounds mg ｅg decay Ee = Eγ= 52.8 MeV Back to back, in time Sensitivity Single Event: 0.94x10-14 Nm=1x108/sec, 2.2x107 sec running Ω/4π=0.09,εe=0.95,εγ=0.7, and εsel=0.8 γ μ e Two Major background sources Radiative μ+ decay Accidental overlap NOT back to back, NOT in time Reduced down to 10-15 level γ γ ν ν ? ν ν e e The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

Reconstruction of incident position Event by event Front faceのPMTの出力だけを 解析に使用する Peak point Distribution spread wi : weight factor この範囲内で同様のことを行い、 これを繰り返して分解能を得る。 The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

Liquid Xe scintillator and PMT Liquid Xenon High density and High light yield 1st conversion depth: 2 cm ~ 10 cm Wph: 21.6 eV (NaI: 17 eV) Fast Decay reduces pile-ups. Low temperature: 165 K requires refrigerator and special PMT. Wavelength: ~175 nm requires special PMT. 32 mm PMT 2.5-mmt quartz window Q.E.: 6% in LXe (TYP) 3-atm pressure proof Gain: 106 (900V supplied TYP) Thin(0.2X0) and compact 57 mm The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone

? γ γ ν ν ν ν e e backgrounds Radiative decay accidental The 59th annual JPS meeting ＠Kyushu University Hakozaki Campus, Fukuoka, Japan in March of 2004 28/Mar/2004 K. Ozone