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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

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Presentation on theme: "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"— Presentation transcript:

1 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 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

2 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

3 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

4 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

5 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

6 100-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

7 Prototype tests 次の西口・澤田のtalkで … 長時間安定性 PMTは±0.5%で安定
   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

8 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

9 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

10 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

11 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

12 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

13 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

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

15 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

16 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

17 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

18 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

19 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

20 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

21 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

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

23 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

24 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 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

25 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

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

27 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

28 ? 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


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