CALET-TASCプロトタイプのCERN-SPSによる性能実証試験

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1 CALET-TASCプロトタイプのCERN-SPSによる性能実証試験
片平亮、植山良貴、小澤俊介、笠原克昌、金子翔伍、 小谷太郎、鳥居祥二、中川友進、中村政則、　　　　　　 仁井田多絵、村田彬、吉田圭佑、田村忠久A、　　　　　 片寄祐作B、清水雄輝C、赤池陽水D、他CALETチーム 早大理工研、神奈川大工A、横国大工B、JAXA/SEUCC、東大宇宙線研D 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学 aSP-6　　　

2 研究概要 CALET-TASCプロトタイプのエネルギー決定精度および電子陽子識別性能の実証
研究目的 CALETプロトタイプを用いたCERN-SPS加速器のビー ム実験による較正 粒子数換算 出力の温度補正 実験結果とシミュレーションの比較 シミュレーションコードはEPICS、Geant4を使用 以下の値について、実験値とシミュレーションで比較 粒子数分布 エネルギー分解能 シャワー横拡がり 電子陽子識別性能 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

3 Beam方向に対してPWOを12層設置→CALET実機と同じ放射長を再現
CALET-TASCプロトタイプの構成 IMC TASC 318 460 350 120 Electronic Box beam CALET プロトタイプ 78 170 [mm] 𝑥 𝑦 𝑧 PWO+PMT(外側はESR) PWO+APD/PD(外側はESR) PWO(19mm×20mm×326mm) 3本(X方向のみ)×12層 1層目：PMT読み出し(トリガー) 2層目以降：APD/PD読み出し PWOの外側は反射材のESRで包装 CALET実機と異なる (16本×12層) PWOの本数以外は CALET実機と同じ Beam方向に対してPWOを12層設置→CALET実機と同じ放射長を再現 27X0 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

4 シミュレーションとイベント選別方法 シミュレーション イベント選別方法 EPICS v9.13(Cosmos v7.62)
ハドロン相互作用モデル: jam、dpmjet3、qgsjet2 Geant4 v4.94.p03 ハドロン相互作用モデル: QGSP、FTFP イベント選別方法 High Energy Shower Trigger IMCの7層目+8層目のエネルギー損失 ≧ 15MIPs TASCの1層目のエネルギー損失 ≧ 55MIPs 入射位置の選別 Si Trackerから求めたシャワー軸がTASC中心から±5mm以内のイベントを使用 コンタミ成分＆マルチヒットイベント除去 TASCにおけるシャワーの粒子数分布から除去 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

5 Si Trackerを用いたPWOの座標算出
＊IMCは省略してある PWOの位置を特定するためにSi TrackerのStripを使用 TASC各層について、PWOのトリガー効率とSi stripの位置の相関からPWO座標を算出 Si Stripの間隔は0.732mm Si Tracker TASC beam 12本 フィッティング関数 Ttop 0 Ttop 1 Ttop 2 TASC1層目におけるトリガー効率 フィッティング関数のパラメータ(TASC1層目)　[cm] a b μ1 μ2 σ1 σ2 Ttop0 0.109 0.819 -1.19 0.117 Ttop1 0.116 0.822 -1.11 0.744 0.123 0.0924 Ttop2 0.125 0.820 0.815 -0.107 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

6 粒子数換算 ミューオンを入射したときの各PWOの出力波高分布に対して、Landau分布にGauss分布を畳み込んだ関数でフィッティング
フィッティング関数のMPの値を1MIPと定義する ミューオンの出力波高分布のうち、値が0.7MIP以上となる割合は約85%で、前ページのトリガー効率の図とconsistent Landau分布にGauss分布を畳み込んだ関数 pedestal muon Gauss分布 0.7MIP ～85% あるPWOにおける出力波高分布 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

7 電子の出力を用いた温度補正 PWOおよびAPD/PDの温度変化による出力の変化を補正 TASCに熱電対を取り付け、温度を測定
電子150GeVを照射したときの装置の温度と各PWOの出力波高分布のMeanの相関から、温度と出力の相関を求めた ミューオン照射時のTASCの温度(24.6℃)を基準として、出力値を補正 シミュレーション(EPICS)と粒子数分布が最も合うのは24.4℃を基準にしたとき →温度測定の誤差：0.2℃ あるPWOにおける各温度での出力波高分布 電子 150GeV 24.1℃ 24.2℃ 24.7℃ 25.5℃ あるPWOにおける温度による出力の変化 電子 150GeV ミューオン照射時のTASCの温度 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

8 粒子数分布 実験結果とシミュレーションで粒子数分布を比較した 陽子に関しては、異なるハドロン相互作用モデルを用いて比較した
Experiment EPICS① dpmjet3 EPICS② phits < 2GeV < jam EPICS③ phits < 2GeV < dpmjet3 EPICS④ phits < 80GeV < qgsjet2 Geant4① QGSP Geant4② FTFP EPICS② phits < 2GeV < jam EPICS① dpmjet3 EPICS④ phits < 80GeV < qgsjet2 Geant4① QGSP Meanは～4%以内の範囲で一致 EPICS④ phits < 80GeV < qgsjet2 Geant4② FTFP EPICS③ phits < 2GeV < dpmjet3 電子 100GeV Exp EPICS Geant4 陽子 350GeV Meanは～1%以内の範囲で一致 TASCの粒子数分布の和 TASCの粒子数分布の和 Exp： ミューオン照射時のTASCの温度(24.6℃)を基準に出力を補正 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

9 エネルギー分解能 最頻値から±34%の範囲に入る分布の幅の半分の長さをエネルギー分解能と定義
TASCの粒子数分布の和 34% peak 最頻値から±34%の範囲に入る分布の幅の半分の長さをエネルギー分解能と定義 実験値とシミュレーションは0.4%以内の範囲で一致 電子 100GeV Exp EPICS Geant4 フィッティング関数 𝑅 𝐸 = 𝑎 𝐸/100GeV ⊕𝑏 統計的誤差 系統的誤差 フィッティング関数のパラメータ ～0.5%以内の範囲で一致 𝑎 𝑏 Exp 1.96 % 0.934 % EPICS 1.83 % 2.95×10-5 % Geant4 1.95 % 3.10×10-5 % 各エネルギーにおけるエネルギー分解能 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

10 シャワー横拡がり IMCから求めたシャワー軸を利用して、TASC中のシャワーの横拡がりを算出
シャワー横拡がりは電子陽子識別の際にパラメータとして使用 Experiment EPICS① dpmjet3 EPICS② phits < 2GeV < jam EPICS③ phits < 2GeV < dpmjet3 EPICS④ phits < 80GeV < qgsjet2 Geant4① QGSP Geant4② FTFP EPICS④ phits < 80GeV < qgsjet2 Geant4② FTFP 実験値とEPICS④は～0.2%の範囲でMeanが一致 EPICS④ phits < 80GeV < qgsjet2 EPICS③ phits < 2GeV < dpmjet3 Geant4① QGSP EPICS① dpmjet3 EPICS② phits < 2GeV < jam Exp EPICS Geant4 陽子 350GeV 電子 100GeV Meanは～2.5%以内の範囲で一致 TASCにおけるシャワー横拡がり 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

11 電子と陽子のイベント数と残存率の推移(実験)
電子陽子識別性能 電子100GeVと陽子350GeVを使用して、電子/陽子識別性能を検証 シャワーの形状の違いを利用　 　　横軸：シャワー横拡がり　　　　 　　縦軸：検出器下部の粒子数分布比 EPICS① dpmjet3 EPICS② phits < 2GeV < jam EPICS③ phits < 2GeV < dpmjet3 EPICS④ phits < 80GeV < qgsjet2 Geant4① QGSP Geant4② FTFP ±2σ 電子100GeV 陽子350GeV 電子100GeVと陽子350GeVのエネルギー損失 実験 電子残存率と陽子残存率 電子残存率 陽子残存率 実験値 90.0% (7.48±1.56)×10 – 5 EPICS① (4.47±1.12)×10 – 5 EPICS② (7.26±1.42)×10 – 5 EPICS③ (3.73±0.974)×10 – 5 EPICS④ (6.74±1.34)×10 – 5 Geant4① (3.13±0.904)×10 – 5 Geant4② (9.32±1.49)×10 – 5 電子と陽子のイベント数と残存率の推移(実験) 電子 イベント数 電子残存率(%) 陽子 陽子残存率 生成イベント 50146 400000 ビームのコン タミ粒子除去 32717 入射位置選別 17598 100 307332 1 シャワートリガー 17348 99.6 80105 0.261 エネルギーカット 16979 96.5 4333 1.41×10-2 電子/陽子選別 15840 90.0 23 7.48×10-5 実験 電子100GeV　　・ 陽子350GeV　　・ シャワー形状による電子/陽子選別方法 実験値はEPICS②、EPICS④、Geant4②と誤差の範囲で一致 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

12 まとめ CERN-SPS加速器のビームを用いてCALET-TASCプロ トタイプの観測性能実証試験を行った
実験値とシミュレーションで、以下の値について比較した 実験値と実験値に対するシミュレーションの差(%) 粒子 電子100GeV 陽子350GeV 実験値 EPICS(%) Geant4(%) 粒子数平均値 4.04×103 1.08 1.72 5.92×103 -4.17*1 6.78*2 エネルギー分解能 2.09 -0.410 -0.240 シャワー横拡がり 平均値 0.826 -2.59 -2.35 1.05 -0.239*1 -1.16*2 実験値とシミュレーションの電子残存率と陽子残存率 電子残存率 陽子残存率 実験値 90.0% (7.48±1.56)×10 – 5 EPICS*1 (6.74±1.34)×10 – 5 Geant4*2 (9.32±1.49)×10 – 5 *1 phits < 80GeV < qgsjet2 *2 FTFP 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

13 END 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

14 e- 10GeV e- 30GeV e- 100GeV e- 150GeV e- 290GeV EPICS -0.820 1.63 1.08
粒子数分布のMeanの実験値とシミュレーションの差(%) e- 10GeV e- 30GeV e- 100GeV e- 150GeV e- 290GeV EPICS -0.820 1.63 1.08 0.739 5.04 Geant4 -0.695 1.72 1.45 1.22 5.49 粒子数分布のMeanの実験値とシミュレーションの差(%) p 30GeV p 100GeV p 350GeV EPICS① -13.6 -2.54 -7.01 EPICS② -17.6 -3.67 -6.05 EPICS③ -16.0 -6.54 -10.0 EPICS④ 4.08 -4.17 Geant4① -13.8 8.70 6.78 Geant4② -15.9 -4.89 -10.6 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

15 e- 10GeV e- 30GeV e- 100GeV e- 150GeV e- 290GeV Exp 6.23 3.76 2.09
エネルギー分解能(%) e- 10GeV e- 30GeV e- 100GeV e- 150GeV e- 290GeV Exp 6.23 3.76 2.09 1.56 1.64 EPICS 6.02 3.31 1.60 1.28 0.947 Geant4 6.44 3.46 1.85 シャワー横拡がりのMeanの実験値とシミュレーションの差(%) e- 10GeV e- 30GeV e- 100GeV e- 150GeV e- 290GeV EPICS -0.909 -1.75 -2.59 -2.89 -3.06 Geant4 -0.185 -1.31 -2.35 -3.42 -1.66 シャワー横拡がりのMeanの実験値とシミュレーションの差(%) p 30GeV p 100GeV p 350GeV EPICS① 2.58 0.629 1.04 EPICS② -0.385 -1.54 -3.31 EPICS③ -1.62 -3.81 -0.566 EPICS④ -0.367 -1.61 -0.239 Geant4① 1.54 -2.20 -1.16 Geant4② 1.03 -2.31 -1.09 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

16 CALET検出器 𝑧 𝑦 𝑥 <CHD> CHarge Detector → 電荷測定 Plastic Scintillator
TASC構造図 𝑥 𝑦 𝑧 16本 <CHD>　CHarge Detector → 電荷測定 Plastic Scintillator (32mm×10mm×448mm) 14本×2層(X,Y) 12層 <IMC>　IMaging Calorimeter → 入射粒子の飛跡測定、エネルギー測定 Scintillating Fiber (1mm×1mm×448mm) 448本×(X,Y)×8層 W板 0.2X0×5枚+1X0×2枚(合計3X0) PbWO4 (PWO)結晶 (SICCAS社) 20mm 326mm Φ 8mm <TASC>　Total AbSorption Calorimeter →エネルギー測定、粒子識別 PWO(20mm×19mm×326mm) 16本×(X,Y)×12層(合計27X0) 1層目：PMT読み出し(トリガー) 2層目以降：APD/PD読み出し 19mm APD PD 19.7mm 13.4 mm PMT(浜松ホトニクス社) APD/PD デュアルパッケージ (浜松ホトニクス社) 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

17 TASCの信号読み出し 6桁以上のダイナミックレンジを確保 ① ② ③ ④ APD PD ① APD + High Gain アンプ
PD+Low Gain アンプに対する各チャンネルのgain比 13.4mm 19.7mm PD 2.4×2.4mm2 ch APD/PD gain 受光面積比 アンプ gain比 総gain比 ①APD+High Gain Shaper 50 18 30 2.7×104 ②APD+Low Gain Shaper 1 9.0×102 ③PD+High Gain Shaper ④PD+Low Gain Shaper × × = APD 10×10mm2 × × = × × = S （浜松ホトニクス社） × × = 10-1 100 101 102 103 104 105 106 [MIP] 4 40 400 4000 Effective ADC [ch] ① ② ③ ④ APD PD ① APD + High Gain アンプ ② APD + Low Gain アンプ ③ PD + High Gain アンプ ④ PD + Low Gain アンプ 6桁以上のダイナミックレンジを確保 APD,PDに各々Gainの異なる回路を用いることで 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

18 Landau分布にGauss分布を畳み込んだ関数
分布がランダウ分布になると仮定 畳み込み Gauss分布 𝜎 𝑦=𝑔(𝑥) ・・・ 𝑥 Most Probable Value (MP) Landau分布 Gauss distribution 𝑔 𝑥 = 1 2𝜋 𝜎 2 exp − 𝑥 2 2 𝜎 2 𝑦=𝑓(𝑥) ・・・ 𝑥 Landau distribution 𝑓 𝑥 = 1 𝜋 0 ∞ exp⁡(−𝑡 log 𝑡 −𝑥𝑡) sin 𝜋𝑡 𝑑𝑡 Landau分布にGauss分布を畳み込んだ関数 (𝑓∗𝑔)(𝑧) (𝑓∗𝑔) 𝑧 =∫𝛿 𝑧− 𝑥+𝑦 𝑓 𝑥 𝑔 𝑦 𝑑𝑥𝑑𝑦 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

19 CERN-SPS2011実験概要 Beam Tracker CHD IMC 粒子 電子 陽子 ミューオン エネルギー(GeV/c)
Si strip　(Siの間隔:0.183mm) 512本(x方向)×4層(z方向) 512本(y方向)×4層(z方向) 512本を4本ずつまとめて読み出し CHD Plastic Scintillator 4層(z方向) (38mm×450mm×10mm) PMT読み出し IMC Scifi(1mm×448mm×1mm) 32本(x方向)×8層(z方向) 64chMAPMT×4で読み出し W板　0.2X0×5枚+1X0×2枚 　　(合計3X0) CALETプロトタイプの上面図と側面図 実験に使用した粒子とエネルギー 粒子 電子 陽子 ミューオン エネルギー(GeV/c) 10,30,100,150,290 30,100,350 150 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学