核内ω中間子質量測定のための γ線カロリーメータ及び中性子TOF検出器の性能評価

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1 核内ω中間子質量測定のための γ線カロリーメータ及び中性子TOF検出器の性能評価
２０１１年２月１日 核内ω中間子質量測定のための γ線カロリーメータ及び中性子TOF検出器の性能評価 東京大学理学系研究科物理学専攻 小沢研究室　修士２年 桝本　新一

2 発表の流れ 開発背景 J-PARC E26実験 γ線カロリメータ及び中性子TOF検出器の概要 新読出し方式でのカロリメータ性能評価
東北大学電子光理学研究センターの陽電子ビームを用いたビームテスト 中性子TOF検出器の性能評価 SPring-8 LEPS施設でのテスト まとめ

3 中間子の核内での質量変化 g + A   + X CBELSA/TAPS 中間子の原子核中での質量変化を捉える実験
photon beamを用いてω中間子を生成し、π0γ崩壊モードを用いて質量スペクトルを得た。 LH2とNbターゲットでスペクトルを比較したが、no sensitiveであった。 問題点 生成中間子の運動量が大きすぎる( >400MeV) 中間子の生成状態を同定していない M. Nanva et al., PRC100(2008)192302 g + A   + X

4 検出器開発背景 p- + A   + n + X p0 + g  +  J-PARC E26実験 原子核中でのω中間子質量変化
K. Utsunomiya, Master Thesis (2010) -質量変化期待値　　 9%（～70MeV） -Mass resolution 　　  30MeV 反応の説明 ほとんど止まっているωが標的 3γを検出しinvariant mass を測定 γ線検出器 nを検出しmissing mass を測定 中性子検出器

5 要求される検出器性能 γ線カロリメータ 中性子TOF検出器 中性子 E26では穴を 埋めて使用 検出するγ線エネルギー:～450MeV
～4πのアクセプタンス KEK-E246実験で使用され、現在J-PARC TREK実験で使用される予定のCsI(Tl)結晶カロリメータを使用 　(200MeV以下では十分なエネルギー分解能を持つことを先行研究により確認済み) TREK実験に向け読出し回路がアップグレード中で、そのテストを行った 検出する中性子の運動量:1.8GeV程度 飛行距離　7m 質量分解能 30MeV → TOF分解能 80ps 検出効率 30% 厚さ3cmのシンチレーション検出器を使用 シンチレータを4層用意し、さらに各シンチレータ前面に、厚さ1cmの真鍮板を設置 SPring-8 LEPS施設で、実際にE26実験で使用される中性子検出器をテスト NIM A440(2000)151 E26では穴を 埋めて使用 中性子

6 γ線カロリメータ

7 E246実験でのCsI(Tl)カロリメータ →APD or MAPD & FADC読出し E246実験での読出し方式:
NIM A440(2000)151 前面約3×3cm2,後面約6×6cm2,長25cm(13.5X0)のCsI(Tl)結晶が7.5°刻みに配置 E246実験での読出し方式: PIN diode & shaper & PADC レート耐性～a few ten kHz 100cm CsI(Tl)光出力が時定数約1μsのため 性能を下げずにレート耐性を上げるには増幅率の大きい素子が必要 →Avalanche Photo Diode (APD) Micro Pixel Photo Diode (MAPD) 実際にJ-PARCで必要となる レート耐性は余裕をもって1MHz 140cm エネルギー分解能 ただし、E246カロリメータとは違うconfigurationで測定された結果 →APD or MAPD & FADC読出し

8 Avalanche Photo Diode APD(Hamamatsu S8664-55) MAPD (Zecotek) 5mm×5mm
Gain～50 310p.e./MeV MAPD (Zecotek) 3mm×3mm ガイガーモード pixel数が15000/mm2 と多いため、CsI(Tl)カロリメータの読出しとして使用できる Gain～105 70p.e./MeV メインのpn接合の裏に特別なポテンシャルバリアを設けている NIM A610(2009)381

9 LEDによるレート耐性テスト CsI(Tl)結晶にAPDとMAPDを接着し、結晶にLEDで約10MeVのエナジーロス相当の光を入射し、LED入射のレートを変化させることによって、APDとMAPDのレート耐性を調べる グラフの縦軸はLED入射1kHzでのQADC値で規格化している プロトタイプのMAPD ではこのような減少が見られなかったため、おそらく今回のMAPD を作成するにあたり、保護のために大きな バイアス抵抗を入れてしまったためであると考えられる MAPDは1kHz以上のレートで出力が減少してしまう

10 ビームテスト セットアップ 実際のE246カロリーメータと同じ形状のCsI(Tl)結晶を
ビームテスト　セットアップ 実際のE246カロリーメータと同じ形状のCsI(Tl)結晶を 　3×3本に並べて、APD&FADC読出し方式でテスト トリガー及びBPM:ファイバーホドスコープ(48mm×48mm,16×16 fibers) エネルギー分解能測定(50,100,200,300,460MeV e+ beam) APD gainの時間依存性(200MeV e+ beam) パイルアップ波形の取得(200MeV e+ beam, a few hundred kHz) 6×3mm2の 部分を使用

11 FADC波形解析 フィッティング関数 FADC波形情報からエネルギー情報を得るために波形のフィッティングを行う
　　　　　　の値は、波形のフィッティングから得られた一定値を使用 Cの値はイベントごとに、FADCの最初の13chの平均値を使用 A , t0 はイベントごとに決める エネルギー較正のため、9本のクリスタル各々の中心にビームをあてて、gain較正をおこなった。 Ａの値がエネルギーの大きさに相当する CsI(Tl)のシンチレーション光が２成分あることを反映 0　　　　　 [μs]

12 エネルギー分解能の結果 入射200MeVで得られた エネルギー分布 青線:得られたエネルギー分解能のフィッティング結果
クリスタルの出力の総和 Energy[MeV] resolution[%] 50 8.8±0.7 100 6.31±0.30 200 4.82±0.17 300 3.90±0.13 460 3.41±0.10 非対称ガウシアンでフィッティング σE : 分解能 xp : peak値 η : 非対称度

13 mass resolutionの評価 ⇒21MeV Mass resolution 質量782MeVの粒子の崩壊の質量分布
運動量0で計算を行 い、γ線検出器の Mass resolutionを 評価した。 （本来のωの自然巾:8.49MeV） Mass resolution ⇒21MeV Invariant mass [MeV]

14 APD gainの変動(@200ＭｅＶ e+ beam)
クリスタル１ クリスタル２ Peak:376.0 σ:10.86% Peak:435.4 σ:11.68% ～10時間後 ～10時間後 Peak:375.6 σ:11.04% Peak:433.7 σ:11.68%

15 パイルアップ波形の解析 パイルアップが、最初のパルスから8usの範囲内に1回だけ存在するイベントに対して、波形解析をおこない、1個目のパルス及び2個目のパルスについてエネルギー分解能を見積もる。 2個目のパルスについては、 BPMでビーム入射位置を特定 できないため、9本のうち中心のクリスタルが最も出力が大きかったイベントを選びだすことによって、カロリメータの中心にビームが入射したと判断 ・ 200MeVのe+ビーム ・レート：数百kHz 0　　 [μs]

16 パイルアップ波形の解析 1個目のパルス 2個目のパルス
・ 200MeVのe+ビーム ・レート：数百kHz 1個目のパルス Peak:576ch σ：5.02±0.17% 0　　 [μs] 2個目のパルス 16 2個目のパルスは1個目のパルスに比べて、1%のAPD出力の減少と、0.3%程度のエネルギー分解能の悪化がみられた。 Peak:571ch σ：5.26±0.19%

17 パイルアップの時間依存性 1～4μs後 パイルアップがあった波形について、2個目のパルスが、
1個目のパルスの1～4μs後にあった場合と、4 ～ 8μs後にあった場合とで比較 分解能及び中心値に大きな変化なし 1MHz以下で、十分な性能 Peak:571ch σ：5.33±0.23% 4～8μs後 Peak:570ch σ：5.24±0.25%

18 カロリメータまとめ 新読出し方式APD&FADCで、波形解析によってエネルギー分解能を評価した
ω中間子の質量分解能 21MeV １MHz付近のレートで200MeVの陽電子に対し、１％のAPD出力の減少と0.3％のエネルギー分解能の悪化が見られた。

19 中性子TOF検出器

20 中性子検出器 検出する中性子の運動量：1.8GeV程度 要求される性能
TOF分解能80ps 検出効率30% 時間分解能を達成するために厚さ3cmのシンチレーション検出器を使用する 検出効率を稼ぐため、シンチレータを4層使用し、さらに各層の前面に厚さ1cmの真鍮板を設置する 中性子

21 Previous Work 厚さ3cmのシンチレータ1枚で検出効率約2.5% 1.8GeV付近の中性子は、 真鍮板から荷電粒子が放出される
厚さ3cmのシンチレータ1枚で検出効率約2.5% 1.8GeV付近の中性子は、　真鍮板から荷電粒子が放出される 厚さ1cmの真鍮板1枚で、5%程度の検出効率の増加が見込める 陽子 5.2% π中間子 1.2% 光子 2.1% K. Utsunomiya, Master Thesis (2010)

22 SPring-8 LEPS photon beam 1.5～3GeV (105 photons/s) deuteron target
LEPS TOF Wall の後ろに中性子検出器を設置 電子・陽電子が主 ハドロン生成のtotal cross section 200μbにより中性子も生成 PRC73(2006)035214

23 中性子検出器 Setup 実際にE26実験で使用される中性子検出器の一部を使用
1列×3層の中性子検出器を、LEPS TOF Wall の後ろに、ビーム軸から55cm離れた場所に設置(ターゲットからの距離:4.6m) 3層目の中性子検出器の後ろに、 1cm角のシンチレーション検出器を設置 TDC,ADCをLEPSのDAQでphysics runと同時に中性子検出器のテスト 2層目と3層目のシンチレータの前面に真鍮板を設置し、厚みを変えて測定することによって相対的な中性子検出数の増加を調べる 真鍮板の厚み: 0mm,4mm,7mm,10mm

24 荷電粒子に対する時間分解能 start counter と中性子検出器との時間差からβ～1の粒子を選びだす
3層の中性子検出器と1cm角のシンチレータの、計４つのコインシデンスのイベントを選び出す 3枚の中性子検出器の時間差の分布から、各中性子検出器の時間分解能を見積もる Slewing correction後、60ps程度の時間分解能 両読みのPMTの時間差から、15mm程度の位置分解能 時間分解能[ps]　 位置分解能[mm]　 Scintillator1 67.9 14.83 Scintillator2 60.2 14.97 Scintillator3 55.0 11.02

25 中性子に対する時間分解能 荷電粒子と違い、中性子の場合、厚さ3cmのシンチレータのどこで相互作用が起こるかわからないため、時間分解能が悪化する。 相互作用位置が　　 cmふらつくため、1.8GeVの中性子に対しては33psの時間分解能の悪化→時間分解能70ps さらに、真鍮板内での相互作用位置のばらつきと放出された粒子の運動量のばらつきが影響するが、不確定な要素が多い。 仮に200MeVの陽子の放出を仮定した場合、厚さ1cmの真鍮板で相互作用位置が 　cmふらつくとすると、35psの時間分解能の悪化→時間分解能70ps

26 中性子検出数の真鍮板厚み依存性 TOFのスタートタイミングは加速器のRFの情報を使用
PIDのため、中性子検出器の前面にあるTOF Wallの情報を用いて、荷電粒子を除去する。 →光子、中性子のみが残る 光子は、中性子検出器のβ分布から除去する

27 結果 0mm～10mmのデータセットは、１層目の中性子検出器に入射したphotonの数でイベント数を規格化
2層目のシンチレータのβ分布 0mm～10mmのデータセットは、１層目の中性子検出器に入射したphotonの数でイベント数を規格化 中性子検出器の横や裏から、ゴミがたくさん入射しており、バックグラウンドが大きくなってしまう 主なバックグラウンドの原因が電子・陽電子由来であると考え、上の図はTOF Wall の中心±5cmの範囲に入射があったときのイベントをカットしているが、それではまだ不十分

28 中性子検出器まとめ 時間分解能～60ps (for charged particle) 中性子に対しては70ps程度になる見込み
→missing mass resolution 26MeV 中性子検出効率 　中性子検出器周辺から飛んでくるバックグラウンドを減らすため、中性子検出器の周りにシンチレータを設置

29 まとめ 新読出し方式APD&FADCでCsI(Tl)結晶カロリメータの性能評価 中性子検出器の性能評価 ω中間子の質量分解能 21MeV
1MHz以下で、十分な性能 中性子検出器の性能評価 荷電粒子に対する時間分解能 60ps 中性子に対する時間分解能を70psとすると、Missing mass resolution 26MeV

30 BACK UP

31 エネルギー分解能 過去の読出し回路(Pin diode)では、8100p.e./MeVで、これがエネルギー分解能に与える影響は無視できたため、性能は、 1 crystalの最小検出可能エネルギーとシャワーの漏れによって決定されていた。 今回の実験のセットアップで、シャワーの漏れをGeant4でシミュレーションし、5MeVを以上の出力があったクリスタルのみを足し合わせて、エネルギー分解能を再現 1 crystalの最小検出可能エネルギー APD ：～5MeV APDテスト実験結果 simulation APDでもPhoto electron 数による影響は無視できる

32 カロリメータに求められる性能 γ線エネルギー: エネルギー分解能: ～a few % 磁場中で動作(TREK)
～250MeV(TREK), ～450MeV(E26) エネルギー分解能: ～a few % 磁場中で動作(TREK) レート耐性:～a few hundred kHz/module →これらの条件を満たすためKEK E246実験で使用された 　　CsI(Tl)カロリメータをアップデートして使用する

33 開発背景 p- + A   + n + X K+  π0 + μ+ + ν p0 + g g + g  + 
J-PARC E06(TREK) T violation探索 J-PARC E26実験 原子核中でのω中間子質量変化 p- + A   + n + X K+  π0 + μ+ + ν p0 + g g + g  +  大立体角のγ線カロリメータが必要となる

34 でfitした場合 0　　　 [μs]

35 カロリメータ target ピーク波長 550nm 発光スペクトル 350～700nm Index 1.8
54000 photons/MeV target

36 Low frequency filter (constant level) Compensation of constant level
APD Preamp Current amplifier x100 Amp x(10-20) Low frequency filter (constant level) Compensation of constant level

37 Requested performance in TREK
Counting rate up to 100 kHz/module Dynamical range MeV/module Time resolution ~ a few ns (accidentals rejection) Capability for pile-up rejection ( CsI(Tl) is slow scintillator) Gamma and charge particle ID (desired for background rejection) What we have at the beginning? PMT XP-2020, signal MeV CsI(Tl) has two time constant: ts=600 ns (~90%) tL=3.5 ms (~10%) trise~100 ns SAINT-GOBAIN CRYSTAL Co. data Main signal part ~ 2 ms, tail has length up to 5 ms.

38 FADC波形解析 フィッティング関数 FADC波形情報からエネルギー情報を得るために波形のフィッティングを行う
　　　　　　の値は、波形のフィッティングから得られた一定値を使用 (60ch,370ch,2.9ch,0.12) エネルギー較正のため、9本のクリスタル各々の中心にビームをあてて、gain較正をおこなった。 CsI(Tl)のシンチレーション光が２成分あることを反映 0　　　　　 [μs]

39 Gain調整 9本のクリスタル各々の中心に陽電子ビームを当て、クリスタル各々のgain調整を行った
陽電子ビーム : 100,200,300,460MeV

40 Avalanche Photo Diode (APD)
5×5mm2 (Hamamatsu S ) 磁場中でも動作可能 ～310p.e./MeV

41 ＣｓＩ　Ｓｔｏｐｐｉｎｇ　Ｐｏｗｅｒ

42 高レートテスト時で、パイルアップが 無かったときのエネルギー分解能
Peak:577ch σ：4.89±0.15%

43 ノイズレベル Equivalent noise level～800keV σ=1.605ch

44 カロリメータ直線性

45 Pin diode読出し(Ｅ２４６)との比較 Pin diode読出しによる過去の性能と今回のテスト結果を比較した
Pin diodeの性能は、E246実験で測定されたπ0質量分解能5.6%を再現するシュミレーションを、本テストのセットアップに合わせて改変し比較対象とする。 1 crystalの最小検出可能エネルギー APD ：～5MeV Pin Diode ： 5MeV APDテスト実験結果 simulation Pin diodeと同程度の 分解能がAPDでも得ら れた

46

47 Trigger Trigger1 500MeV<m<850MeV p<100MeV

48 Trigger Trigger1 712MeV Trigger1 782MeV Trigger2 782MeV

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50 Position Resolution

51 Pin diode Readout

52 LEPS Photon Energy

53

54 TAPS Transparency ratio

55 Gain調整前(300MeV)

56 Gain調整後

57 Iteration後

58 青線:得られたエネルギー分解能のフィッティング結果
b0:ノイズ項 b1:統計項 b2:定数項

59 Yieldの計算

60 Yieldの見積もり K. Utsunomiya, Master Thesis (2010) ３つのポテンシャル

61 Yieldの見積もり(holeあり) Missing Mass Spectra Invariant Mass Spectra 504イベント
K. Utsunomiya, Master Thesis (2010) Missing Mass Spectra Invariant Mass Spectra 504イベント 601イベント 204イベント

62 Finalプロット Invariant mass spectra 2366イベント 2755イベント 938イベント
K. Utsunomiya, Master Thesis (2010) Invariant mass spectra 2366イベント 2755イベント 938イベント

63 結果 0mm～10mmのデータセットは、１層目の中性子検出器に入射したphotonの数でイベント数を規格化
2層目のシンチレータのβ分布 0mm～10mmのデータセットは、１層目の中性子検出器に入射したphotonの数でイベント数を規格化 イベント数規格化でかけているfactor　1,10.14,1.606,0.8755