リニアコライダーでの ビームサイズ測定方法

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1 リニアコライダーでの ビームサイズ測定方法
東北大学 ４年　伊藤　和俊

2 目次 ILC について 研究の目的 Simulation 結果 今後の計画

3 目次 ILC について 研究の目的 Simulation 結果 今後の計画

4 1.ILC について ILC(International Linear Collider)とは: ILCでの目的:
TeV領域の重心エネルギーを持つ電子•陽電子衝突型線形加速器 ILCでの目的: Higgs粒子や超対称性粒子の探索 トップクォークの精密測定 などなど… International Linear Collider の略 ビームの重心エネルギー 初めは500GeV、1TeVにアップグレードされる予定 図のような、ビームラインが計画されている

5 ILCのbeam 衝突点での beam size は全ての上流部の影響を受け、変動する。
ILCでは Luminosity を高くするために、衝突点において beam をナノメートルの size にまで絞る。 beam bunch 300μm 5.7nm 639nm この中に 21010個の粒子 衝突点での beam size は全ての上流部の影響を受け、変動する。 実際には直方体ではなくガウシアン分布している もし、beam が大きくなってしまったら … そのため、… 現在のところ、衝突点付近でビームサイズをモニターできるのはPair Monitor だけなので、ILCではこのPair Monitor を使ってビームサイズを測定します。 Luminosity が低下してしまう そのため衝突点付近で beam 情報を得て、 補正することが必要（Pair Monitor）

6 Pair Monitor e- e+ IP 電子•陽電子 beam の衝突 これがPair Monitor Y X
ビームの強い電場により、大量の photon が生成する。e-,e+ペアが対生成(Incoherent Pair Creation)し、 同電荷を持つ beam により散乱 真ん中に2cm の穴、大きさは8.5cm まず … そのときにビーム内の電子や陽電子はビームの電磁場により大量の光を出します。ビーム全体が出すこの光を　ビームストラールング　といいます。 この光同士がぶつかり… 例として、e+ のビームにより散乱された電子陽電子の様子… これは長さ300μmのe+ビームにより散乱された後の様子です。 ビームは薄い板状になっているので、y軸方向に散乱されている もし、ビームのサイズが変化していたら、ビームの電磁場も変化しているので、散乱の様子も変わるはず そして… 20μm e+ beam に対して散乱されない、電子の様子 e+ beam により散乱された陽電子の様子 X Y Detector 内の磁場により、らせん運動をして、Pair Monitor に衝突

7 Incoherent Pair Creation
2つの photon が相互作用 して、電子•陽電子 pair が 生成されること Incoherent Pair Creation には3つのプロセスがある 3% 73% 24% 1. Breit-Wheler process まず1つ目は… ブライト　ウェーラー　プロセスと呼ばれているもの。 2つ目は…ベーテ ハイター プロセスと呼ばれているもの。 3つ目は…ランダウ　リフシッツ プロセスと呼ばれているもの。 これらのプロセスの割合は… また… 2. Bethe-Heiter process 3. Landau-Lifshitz process Pair creation する方向は Beam の進行方向

8 ILC での beam と Pair Monitor
Incoherent pair creation の方向 14mrad の crossing angle 先ほどお話ししたように… 図のように一様磁場がz方向に向いているとすると、生成されたpairはどちらも磁場によりらせん運動する つまり、positron 側に飛んでいく電子も、らせん運動する。向きは y 軸の正の方向。 今後の説明では全てpositron 側のPair Monitor

9 Pair Monitor(e+ side) の hit pattern
電子はほとんど散乱しない 陽電子は散乱して、ある分布を成す 電子は… 陽電子は… X=2.8cm のいちに集まっているのは… つまり、電子ビームがこの位置を通っていて、電子陽電子pair はこの方向に生成され、生成時に大きなz方向に運動量を持っていて、ほとんど曲げられずに hit したものです。 実際にはこのビームの通る位置に穴をあける。 X=2.8cm の位置に集まるのは、crossing angle(14mrad) のため

10 目次 ILC について 研究の目的 Simulation 結果 今後の計画

11 研究の目的 Pair Monitor の hit 情報から、どのようにして衝突点付近での beam 情報 (サイズ、粒子数、位置など) を取り出すかを考える。 Pair Monitor の simulation は以前にも行われたが、現在の beam parameter(14mrad) での simulation は行われていない。

12 Simulation について Incoherent Pair の generator として KEKの横谷さんが作成したシミュレーションソフト CAIN を用いた 主なパラメーター 重心系でのEnergy : 500GeV Pair Monitor は 400cm、crossing angle は 14mrad 、磁場は3Tの一様磁場。 e+ サイドのPair Monitor のヒットパターンをsimulation した。 beam bunch 300μm 5.7nm 639nm

13 Simulation 項目 beam の幅(x方向)を変えたときに、hit pattern はどのように変化するか
beam の厚さ(y方向)を変えたときに、hit pattern はどのように変化するか beam bunch 300μm 5.7nm(厚さ) 639nm(幅)

14 目次 ILC について 研究の目的 Simulation 結果 今後の計画

15 Simulation 結果 ビームの幅を変えたときの hit pattern の変化 σx=1σ0x σx=3σ0x σx=5σ0x
図は陽電子のhit のx-y。Hit 数の対数。大きさが小さくなっています。 Rのヒストグラムを書いてやると… 理由は、幅が大きくなるとビーム内の粒子密度が減少し、電磁場が弱くなり、散乱されにくくなるため。 この情報からビームの幅に関する情報が得られそうだと予測できる。

16 Simulation 結果 ビームの厚さを変えたときの hit pattern の変化 H L σy=2σ0y σy=7σ0y
beam X-y分布。hit 数の対数。 r-phi 分布にしてみると… 赤いところはを隠すと… 谷が上がってきている。 なぜなら… そこで… beam

17 Peak-to-Valley Ratio 定義 : Rpv = L / H H L σy=2σ0y σy=7σ0y σy=5σ0y
2次関数で fit すると… プロットすると… これを… もし… Ratio が この値なら ビームの厚さはこの値

18 目次 ILC について 研究の目的 Simulation 結果 今後の計画

19 今後の計画 ビームがずれて衝突したときに、どのように変化するか e+ e- ビームが回転しているときにはどうなるか
y方向のずれ ビームが回転しているときにはどうなるか 最後の磁場に関しての計画の理由のひとつは、 磁場はコイルを巻いて作るが、正確に一様磁場は作れないということがある。 回転 一様磁場ではなく、変形した磁場のときにどうなるか

20 四極磁石について プラスの電荷を持った粒子が スクリーンの手前から奥の方向に 飛んでいるとき X[m] Z[m]
さらに、ビームを収束させるために、図のような四極磁石を使うが、この磁石の漏れ磁場 もある。 四極磁石は、図のように電磁石が配置されています。 上下方向は収束される方向に、横方向は発散する方向に力が働く。 これを縦横交互に並べてやるとビームを収束させることができる。 Z[m]

21 anti-DID pair creation の方向 もうひとつ磁場が変化するものとして、anti-DID がある。
まず、磁場が一様の場合について考える。 散乱されない方も磁場に対して垂直な運動量の成分を持ってしまうので、らせん運動し pair monitor に衝突。 散乱された粒子は複雑ならせん運動し、pair monitor に衝突。 そこで… 散乱されない方の粒子の磁場に垂直な運動量の成分は、ほぼゼロになり、らせん運動せずに pair monitor にあける穴から外に抜ける。 散乱された粒子は単純な、らせん運動をし、pair monitor に衝突。

22 おわり おわり

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24 Luminosity(輝度) Luminosity の1次近似式 ILCでは 2.06  1038 [m-2 s-1] N2 ______
= 2.06  10-5 [fb-1 s-1] L0 = N2 ______ 4πσxσy  f [ m-2s-1 ] N = the number of particles per bunch (2.05  1010) σx,y = transverse dimensions of the beams at the plane z = 0 f = bunch crossings per second (5  2625 s-1) (2.05  1010) Luminosity に cross section σ をかけると、 単位時間に反応が起こる回数 Y がわかる。 Y = L0  σ

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26 Beam bunch の作る電磁場 E’ =γE E E B’ =γβb __ c B = 0
e+ beam bunch の静止系での電磁場は E’ =γE E E B’ =γβb __ c B = 0 速度 βb

27 Beam bunch の電磁場による散乱 散乱 e+ の受ける力 : 上向きに eE’ ( 1 + ββb ) 振動
B’ =γβb E __ c 速度 β E’ =γE e+ e- 速度 βb e+ の受ける力 : 上向きに eE’ ( 1 + ββb ) 散乱 e- の受ける力 : 下向きに eE’ ( 1 + ββb ) 振動

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