KOPIO実験のための中性子不感型光子検出器の設計 森井　秀樹 Contents KOPIO実験 Beam Catcherとは Prototype を用いた原理テスト シミュレーションによるBeam Catcherの設計 最終デザインでの性能評価 まとめ 2004/02/03

KOPIO実験の物理と目的 KOPIO：KL→π0νν測定実験 目的 KOPIO実験 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非保存を特徴づける －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系とB系でのユニタリ三角形の比較 →標準模型を超える物理？ 2004/02/03

KOPIO実験のConcept イベントの同定 Goal 40 events (S/N：2) Background KL→π0νν →2γ 「π0からの2γ」 かつ 「他は無し」 Background KL→2π0 →γγγγ Goal 40 events (S/N：2) 崩壊領域を完全に覆うveto 2γのreconstruct 光子の 位置、エネルギー、 角度、時間 を測定 KLのTOF “microbunch” beam (25MHz、width 200ps) 2004/02/03

KOPIO Detector Beam Catcher 中性ビーム中の KLのTOF KOPIO実験 γ線veto検出器 2004/02/03

Beam Catcherとは ビームホールを覆うγ線veto検出器 要求される性能 デザイン Beam Catcher Background ：KL→2π0 →4γ 要求される性能 光子に対しては高検出率 300MeVのγに対して98%以上 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 デザイン エアロジェルチェレンコフ型カウンタ →ハドロン反応で生成する低速粒子に対して不感 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 2004/02/03

Beam Catcher Prototype 目的 Cherenkov発光量 ハドロン反応 　　→これらがシミュレーションの予測 と一致するか？ Beam Test KEK PS T1 ビームラインでテスト 2mmt 11mmt×5枚 2004/02/03

Beam testの結果1:発光量の評価 Cherenkov発光量測定 測定結果 Prototypeによる原理テスト γ線(or電子)の代わりにπ+を使用 測定結果 1/β2依存性 4モジュールでの光電子数 光電子数 シミュレーションの0.89倍 15%程度のばらつき 屈折率は一致 π0運動量(GeV/c) 2004/02/03

Beam testの結果2：ハドロン反応測定 Prototypeによる原理テスト Beam testの結果2：ハドロン反応測定 ハドロン反応測定 中性子の代わりに陽子を使用 陽子検出効率 ガスシンチレーションをシミュレーションに含めるとよく一致 陽子検出効率の運動量依存性 ほぼ一致 2004/02/03

シミュレーションによるBeam Catcherの設計 設計の指標 プロトタイプの約２倍のサイズ 均一かつ高い光子検出効率を持つこと 約500モジュールを分散配置 量産が容易であること 光学系の設計 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 エアロジェル屈折率 コンバータ配置 レイヤー数 検出条件 2004/02/03

Beam Catcherの設計 ─ 光学系の設計 “Base Design” 平面鏡 + Winston coneファネル 　 + 5インチPMT 平均集光率約23% Top-and-Bottom型 集光率 　　Base designの約1.35倍 欠点 費用が約2倍 2軸パラボラ型 Base designの約1.7倍 光学系が複雑 →量産性を考慮して“Base-design”を採用 Base Design Top-and-Bottom 2軸パラボラ 2004/02/03

Beam Catcherの設計 ─ 配置のパラメータと検出条件 鉛コンバータ配置 基本デザイン 屈折率 屈折率を高めると低速粒子に対して感度 →中性子不感性は? 1.03と1.05で中性子不感性はほとんど同じ 鉛コンバータ配置 各層2mmの配置が最適 ビーム方向レイヤー数 25層必要 検出条件 コインシデンスに参加するモジュール 直後1層の2モジュールの和を使用 検出の閾値 　前段:後段 = 2:1が最適 検出条件 後段1層 後段2層 後段3層 2004/02/03

最終デザインでの性能評価 ─ 最終デザイン Beam Catcherの最終デザイン Beam Catcher性能評価 モジュールサイズ 30cm×30cm　　←鉛直方向にアクセプタンスを持たせるため 光学系 Base-design (平面鏡 + Winston coneファネル + 5インチPMT) エアロジェル 高透過率エアロジェルIY-46 ←光量増加によって光子検出効率を高めるため 透過率 82% @ 470nm (従来品 68% @ 470nm) 鉛コンバータ 各層2mm厚 モジュール数 横方向14/15×ビーム方向25層 検出条件 前段4pe以上、かつ 　　後段2モジュールの和2pe以上 従来のエアロジェル SP-50 高透過率エアロジェル IY-46 2004/02/03

最終デザインでの性能評価 ─ 光子検出効率 光子検出効率 エネルギー依存性 入射位置依存性 鉛直±10cmの範囲で Beam Catcher性能評価 最終デザインでの性能評価 ─ 光子検出効率 エネルギー依存性 　　鉛直±10cmの範囲で 　　99% @ 300 MeV 　　　　　→要求を十分満たす 光子検出効率 入射位置依存性 鉛直方向が問題 ←電磁シャワーが上下に漏れる 鉛直方向±10cmでほぼ均一 ビーム領域 2004/02/03

最終デザインでの性能評価 ─ 中性子不感性 中性子検出効率 中性子によるFalse veto確率 エネルギー依存性 Beam Catcher性能評価 最終デザインでの性能評価 ─ 中性子不感性 中性子によるFalse veto確率 検出数 : 0.37イベント/マイクロバンチ On-timing条件 3ns/24ns →false vetoの確率 : 4.5 % 中性子検出効率 エネルギー依存性 0.3% @ 0.8 GeV →要求をやや上回る →要改善 :　時間分解能の向上など 2004/02/03

Summary Summary KOPIO実験 : KL→π0νν測定実験 Beam Catcher プロトタイプを用いた性能評価 中性子に対して不感な光子検出器　→エアロジェルチェレンコフ検出器を分散配置 プロトタイプを用いた性能評価 Cherenkov発光量 シミュレーションの0.89倍 ハドロン不感性 ガスシンチレーションを含めるとシミュレーションと一致 実機の設計 光学系 平面鏡 + Winston cone型ファネル + 5インチPMT 配置 鉛配置、検出条件を最適化 最終デザインでの性能評価 光子検出効率 : 99% @ 300MeV : 十分要求を満たす 中性子不感性 : 0.3% @ 0.8 GeV : 要求をやや上回る→時間分解能の向上など必要 →概ね要求を満たすデザインを確立 2004/02/03

Summary 今後 – 量産に向けて Summary エアロジェルの品質管理システムの開発 実機サイズのプロトタイプによる性能評価 エアロジェル透過率測定 Cherenkov発光量測定 実機サイズのプロトタイプによる性能評価 量産・インストール 2004/02/03

最終デザインでの性能評価 ─ KL不感性 KLに対する検出効率 KLによるFalse veto確率 運動量依存性 Beam Catcher性能評価 最終デザインでの性能評価 ─ KL不感性 KLによるFalse veto確率 　検出数 : 0.24イベント/マイクロバンチ On-Timing条件 3ns/24ns →false veto確率3.0% KLに対する検出効率 運動量依存性 0.14% @ 1GeV/c 崩壊によるγ線が検出の原因 2004/02/03