宇宙線ミューオンによる チェレンコフ輻射の検出

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1 宇宙線ミューオンによる チェレンコフ輻射の検出
城戸　証 郡司　卓 中森　健之

2 実験の目的 「宇宙線ミューオンをソースとした チェレンコフ輻射の検出」 べき値＝ －1.23 べき値＝－2．7
ミューオンのflux べき値＝ －1.23 べき値＝－2．7 我々の設計では30秒に1個程度拾える 運動量[GeV/c]

3 セットアップ PMT＋ プラスチックシンチレーター PMT 屈折率 PMT＋ プラスチックシンチレーター 電荷積分型ADCで読む

4 発光量 チェレンコフ輻射 θ 電離損失 (Bethe-Blochの式) S：蛍光効率+立体角 輻射体 透過率・反射率 集光効率 量子効率
ライトガイド PMT

5 何を知っておく必要があるか？ ・ADCのchannelと電荷量の対応 ・PMTの印加電圧とGainの関係 ・ライトガイドの集光効率
・輻射体の蛍光効率

6 既知の電荷を入れてADCのchannelを見る
電圧信号 電荷

7 電荷ーADC 電荷[pC] 電荷[pC] ADC full scale ≒ 206 [pC] ADC 1channel ≒ 0.05[pC]

8 HVとPMTのGain 入射photon数を固定してHVを変える。

9 HV-ADC ADC∝V8.24 Dynode 12段 HV　[V]

10 One photon 検出

11 ━　LED光量初期値 ━　LED光量減。 channel

12 ━　HV= －2000 ━　HV= －1900 channel

13 PMTのgainの決定 1 photon peak のADCに対応する電荷量 Gain = 電子1個の電荷
HV = -2000[V]で gain = 9×106

14 Light Guideの集光効率 理論上では・・・ 実験値 集光効率≒8% 4π方向に出る光を仮定。
光源から見て、入射面が覆う立体角を等しくして比較。 ライトガイド PMT PMT 入射角度[degree] 入射角度[degree] 理論上では・・・ 実験値 集光効率≒8%

15 輻射体の蛍光効率 90Srのβ線：2.2MeV Energy loss:1.8MeV/cm ・チェレンコフ光は出ない ・発光は全て電離損失
・全エネルギーを消費

16 90Srのspectrum Peakのchannel PMTの出力電荷 PMTへの入射photon数 β線のエネルギーに相当する
(2.2MeV / 4eV) 蛍光効率≒1.0×10-4 ADC [ch]

17 予備実験まとめ ADC full-scale PMTのgain ライトガイドの集光効率 ・蛍光効率
4095 channel = 206 pC -2000V　で　9×106 8 % ・蛍光効率 1.0×10-4

18 どうやって電離損失と区別するのか？ 1.チェレンコフ光は指向性 装置を逆さにすると見えなくなる 2.チェレンコフ光の放出時間は短い
各イベントの発光時間を測定して分別する 　（チェレンコフ：～1nsec ,電離損失：数nsec~) PMTの時間特性がよくなかった。 (立ち上がり：2.6nsec)

19 セットアップ 正位置 逆位置

20 回路 上のシンチ 下のシンチ 輻射体

21 Spectrum チェレンコフ 　　　＋ 　電離損失 shift 電離損失 ADC [ch]

22 プロセス別の予想発光量 チェレンコフ 電離損失 中央に入射 中央に入射 端に入射 端に入射 ミューオン運動量[GeV/c]

23 解析の方針 電離損失とチェレンコフ光の合わさったspectrumから チェレンコフ光の分布を出す 二つの光が合わさってPMTから出力
Channel値は合わさった分、右（大きい方）にshift このshiftされたchannel値がチェレンコフ光 Shiftされた値　：　ミューオンの運動量に依存 全データに対して、運動量が特定できれば･･･ チェレンコフの成分が求められる

24 解析方法 ① 左のスペクトルから、 channel値ごとに入射位置を予測 ② その入射位置で、左のグラフから 運動量を特定
①　左のスペクトルから、 channel値ごとに入射位置を予測 チェレンコフ＋電離損失の理論予想 ②　その入射位置で、左のグラフから 運動量を特定 中央に入射 １つのchannel値に 2つの大きく異なった運動量 端に入射 上下シンチの発光量の差で分別 運動量[GeV/c]

25 運動量を特定した結果 べき値＝ －1.23 べき値＝－1．23～－1．7 降ってくるミューオンと 似たような分布
ミューオン運動量[GeV/c]

26 チェレンコフ光の分布 電離損失と分離できていれば このスペクトルが得られたはず。 100channel 10 photon
ADC channel

27 電離損失だけからのミューオンの分布 べき値＝－1．3～-2．0 ミューオン運動量[GeV/c]

28 特定できなかったスペクトル ＜理由＞ ○不連続なスペクトル ◎ミューオンだとすると・・・ (1)高い運動量成分
チェレンコフと電離損失は運動量の高い成分では一定 カウント数が少なすぎる

29 上のシンチのADC[channel] (2)低い運動量成分 上のシンチと下のシンチで 光量の差が出る しかし両者は同じような分布
　　光量の差が出る しかし両者は同じような分布 ミューオンとは考えにくい 上のシンチのADC[channel]

30 結論 ・チェレンコフ光は検出できた。 （運動量分布がおよそ一致） ・しかし、スペクトルのidentifyが完全ではない。

31 今後の改善点 上向きにもPMT 加速器ビームでcalibration 遅いミューオンのシャットアウト ガスを輻射体にする
電離損失とチェレンコフ光を同時に観測できる 未知のパラメータが減ってCalibrationが楽になる 特定が楽になる 電離損失に対してCherenkovが十分にdominantになる 発光量の少なさはPMTを複数用意することで補える