オルソポジトロニウムの寿命測定による束縛系QEDの実験的検証

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1 オルソポジトロニウムの寿命測定による束縛系QEDの実験的検証
日本物理学会 第61回年次大会 　愛媛大学、松山大学 オルソポジトロニウムの寿命測定による束縛系QEDの実験的検証 東大素粒子センター（ICEPP）　片岡洋介 浅井祥仁、小林富雄

2 イントロダクション 束縛系QED オルソポジトロニウム(o-Ps) o-Ps寿命測定  さらに精度を上げてO(α2)補正項を検証
高次輻射補正の扱いが難しく、未だ一般的な計算手法が確立せず、実験的な検証が必要 オルソポジトロニウム(o-Ps) 寿命が長く(約142ns)、直接測定が可能 ハドロンのような強い力に伴う不定性がない O(α2)の計算が実際に行われている o-Ps寿命測定 東大、ミシガン大によって精密測定が行われている 現在の精度は約200ppm 　さらに精度を上げてO(α2)補正項を検証 G.S.Adkins(2000) term correction(ppm) tree level 0.0 A (α/π) B α2ln(1/α) -87.3 C (α/π)2 240.2

3 実験手法 物質との相互作用による対消滅(pick-off)の正確な取り扱いがカギ
3γ崩壊 （λ3γ） Pick-off （λ(t)） 観測される崩壊率 １． Ge検出器を用いてγ線のエネルギースペクトラムを測定し、 ２. ３γの連続分布と511keVのピーク(pick-off)の比からλpick(t)/λ3γを測定  熱化過程を考慮した正確な測定が可能　(詳細は後述) この実験手法に基づく、さらに高精度な測定を行っている e+線源 ターゲット （シリカ） o-Ps生成 γ Δt o-Ps 物質(ターゲット) γ

4 今回の実験のセットアップ 前回(2001)のセットアップの限界～統計誤差170ppm 統計を増やすため抜本的な改善が必要(詳細は後述)
線源を変更 トリガーシステムを変更 シンチレータを変更 統計10倍化 真空容器 　線源 　トリガー用プラシン 　シリカエアロジェル YAPシンチレータ　4台 （o-Ps寿命測定用） Ge検出器(同軸型)　3台 （pick off rate 測定用）

5 セットアップI 線源周り β+線源 陽電子トリガー シリカエアロジェル アンチトリガーを導入
β+線源　 前回(22Na)はプラシン中で大部分が対消滅 68Ge (Eβmax1.9MeV)を採用　 0.4μCi 陽電子トリガー プラシン(200μm厚) アルミナイズドマイラーのコーンで光収集 シリカエアロジェル 0.03g/cm3 前回はシリカパウダー アンチトリガーを導入 約半数のe+がシリカを抜ける 　　（DAQレートを圧迫） 円筒形プラシン(1mm厚)で陽電子を捕捉 ½インチPMT 1インチPMT ライトガイド プラシン (200μm) プラシン (1mm) 68Ge 105mm e+ シリカエアロジェル 65mm

6 セットアップII γ線検出器 高統計な測定に適したYAP（YAlO3）シンチレータを導入
減衰時間約30nsのシャープな波形 (前回:NaI～230ns)  pile up が大幅に減少 優れた時間分解能(～400ps) 安定な物性 潮解性がなく、非常に硬い結晶 その他 光量 40%　(NaI比) Z=39 今回使用したYAPの結晶 50mm×50mm×33mm

7 解析I time walkの補正 YAPの補正 速い立ち上がり γ線のエネルギーで補正  約400psのtime resolution
Geの補正 遅い立ち上がり(～200ns) 立ち上がりの時間で補正  約3～5nsのtime resolution Walk エネルギー Walk cut 立ち上がり時間

8 解析II 3γのnormalization Energy spectrum Ge time spectrum data simulation
prompt 2γ(511keV) data decay curve 3γ simulation accidental simulation(Geant4)による3γスペクトラムを 　　dataの3γ連続分布でnormalize 　　　 pick offの割合を求める　（n2γ/n3γ） 崩壊時間毎にslice  pick-offの割合の時間依存性が分かる

9 解析III pick-off rate 測定されたpick-off rate pick-off rateをlife time
o-Psの熱化を反映した 　　カーブが観測される 数百nsで収束、約2% pick-off rateをlife time fittingに取り込むことで 正確に崩壊率が求まる

10 解析IV time spectrum fitting
YAP time spectrum Fitting 関数 prompt 3γ decay curve Free parameter: λ3γ,N0,C accidental

11 Systematic error  正確に見積もり、simulationにフィードバック SRT (遅い立ち上がり成分)
Simulation(Geant4)で考慮されない検出器の特性が主要なエラー SRT (遅い立ち上がり成分) 円筒同軸Geの複雑な電場 Resolutionが悪く、テールになるため、offlineでカット 　　 Efficiencyを正確に見積もり、simulationに入れる必要がある 　　　　(エネルギー依存性、位置(電場の強弱)依存性) Response function 電荷収集のもれ（特にSRT成分）やpile up 2γピークの数や3γのスペクトラムを変化させる 　 正確に見積もり、simulationにフィードバック cut 立ち上がり時間(50-150keV) 電場の弱い部分で SRTが発生 G4 G4(補正) pile up 電荷収集のもれ 511keV peak 現在、スタディ中

12 Life timeと今後の計画 Preliminary(系統誤差含まず) fitting start time依存性は 比較的少ない
エアロジェルのラン(約2ヶ月) O(α2)計算値 統計エラー 150ppm Preliminary(系統誤差含まず) fitting start time依存性は 　比較的少ない 熱化過程の補正 systematicなずれ  systematic errorを中心に 　　　現在調査中 次期計画 (データ収集開始) 　　pick offが約1/3のシリカパウダーを採用  efficiencyなどpick offに比例するsystematicエラーを抑える

13 まとめ オルソポジトロニウムの寿命測定のセットアップを構築 高統計、高精度な測定が可能になった
2ヶ月の運用で統計エラー150ppmのデータを収集 統計量の増加を確認 次の長期ラン(約半年)で統計エラーを100ppm以下に抑える systematicエラーの評価と改善を行っていく