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

２０１１年２月１日

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

2

中間子の核内での質量変化 中間子の原子核中での質量変化を捉え

る実験

CBELSA/TAPS 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

3

M. Nanva et al.,PRC100(2008)192302

g + A + X

CBELSA/TAPS

検出器開発背景 • J-PARC E26 実験原子核中での ω 中間子質量変化

p- + A + n + X

g + gp0 + g

γ 線検出器3γ を検出し invariant mass を測定

- 質量変化期待値　　9% （～ 70MeV ）-Mass resolution 　　 30MeV

n を検出し missing mass を測定 中性子検出器

K. Utsunomiya, Master Thesis (2010)

要求される検出器性能γ 線カロリメータ

検出するγ線エネルギー:～450MeV 質量分解能　30MeV ～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

中性子 TOF 検出器 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

5

NIM A440(2000)151

中性子

-p

nE26 では穴を埋めて使用

γ 線カロリメータ

E246 実験での CsI(Tl) カロリメータ

エネルギー分解能　 4.3%@100MeV　 2.8%@200MeVただし、 E246 カロリメータとは違う configurationで測定された結果

NIM A440(2000)151

E246 実験での読出し方式 :PIN diode & shaper & PADCレート耐性～ a few ten kHz

→APD or MAPD & FADC 読出し

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

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

140cm

100cm

7

Avalanche Photo Diode APD(Hamamatsu S8664-55)

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

8

NIM A610(2009)381

LED によるレート耐性テスト

9

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

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)

10

6×3mm2 の部分を使用

FADC 波形解析

--

--

--

-

rise

LS

tt

ttBtt

AC

)(exp1

)(exp)(exp

0

00

Ａの値がエネルギーの大きさに相当する

0 　　　　　 2 4 6 8 [μs]

CsI(Tl) のシンチレーション光が２成分あることを反映

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

BriseLS ,,, 　

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

5MeV 以上の出力があったクリスタルの出力の総和

非対称ガウシアンでフィッティング

12

22

85.10.61

EE

E

Energy[MeV] resolution[%]

50 8.8±0.7100 6.31±0.30200 4.82±0.17300 3.90±0.13460 3.41±0.10

-

---

2)1(ln

21exp)(

202

20

E

pxxNxF

青線 : 得られたエネルギー分解能のフィッティング結果

σE : 分解能xp : peak 値η : 非対称度

- 4ln2,

2sinh2 1

0

mass resolution の評価質量 782MeV,巾なし ,運動量 0 で計算を行い、 γ 線検出器のMass resolution を評価した。

Mass resolution⇒21MeV

質量 782MeV の粒子の崩壊の質量分布

Invariant mass [MeV]

（本来の ω の自然巾 :8.49MeV ）

APD gain の変動 (@200 ＭｅＶ e+ beam)

14

～ 10 時間後

クリスタル１ クリスタル２

～ 10 時間後

Peak:376.0σ:10.86%

Peak:375.6σ:11.04%

Peak:433.7σ:11.68%

Peak:435.4σ:11.68%

パイルアップ波形の解析

15

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 　　 2 4 6 8 [μs]

パイルアップ波形の解析

16

Peak:576chσ：5.02±0.17%

Peak:571chσ：5.26±0.19%

1個目のパルス

2個目のパルス 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。

16

・ 200MeV の e+ ビーム・レート：数百 kHz

0 　　 2 4 6 8 [μs]

パイルアップの時間依存性

17

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

1 ～ 4μs後

4 ～ 8μs後

Peak:571chσ：5.33±0.23%

Peak:570chσ：5.24±0.25%

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。

18

中性子 TOF 検出器

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

20

中性子

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1cmの真鍮板1枚で、5%程度の検出効率の増加が見込める

21

陽子 5.2%π 中間子 1.2%

光子 2.1%

http://pdf.lbl.gov/2010/hadronic-xsection/hadronicrpp_page121.pdf

K. Utsunomiya, Master Thesis (2010)

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

22

PRC73(2006)035214

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

23

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

24

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

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

25

123

121

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

26

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

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 27

2 層目のシンチレータの β 分布

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 28

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 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 26MeV29

BACK UP30

エネルギー分解能

1 crystal の最小検出可能エネルギー APD ：～ 5MeV

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

APD でも Photo electron 数による影響は無視できる

31

APD テスト実験結果

simulation

カロリメータに求められる性能 γ線エネルギー :

～ 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

EE

→ 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

32

開発背景• J-PARC E06(TREK) T violation探索

p- + A + n + Xp0 + g

g + g

K+ π0 + μ+ + νg + g

大立体角の γ 線カロリメータが必要となる

• J-PARC E26 実験 原子核中での ω 中間子質量変化

33

--

---risedecay

ttttAC

)(exp1)(exp 00 で fit した場合

0 　　　 2 4 6 8 [μs] 34

カロリメータ

35

-p

n-p

n

targetピーク波長　 550nm発光スペクトル　 350 ～700nmIndex 1.854000 photons/MeV

APD Preamp

Current amplifier x100

Amp x(10-20)

Low frequency

filter (constant

level)

Compensation of constant level

36

Requested performance in TREK Counting rate up to 100 kHz/module Dynamical range 1-200 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?

CsI(Tl) has two time constant:

s=600 ns (~90%)

L=3.5 ms (~10%)

rise~100 nsSAINT-GOBAIN CRYSTAL Co. data

PMT XP-2020, signal 20-40 MeV

Main signal part ~ 2 ms, tail has length up to 5 ms. 37

FADC 波形解析

--

--

--

-

rise

LS

tt

ttBtt

AC

)(exp1

)(exp)(exp

0

00

0 　　　　　 2 4 6 8 [μs]

CsI(Tl) のシンチレーション光が２成分あることを反映

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)

BriseLS ,,, 　

Gain 調整

39

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

Avalanche Photo Diode (APD)

5×5mm2 (Hamamatsu S8664-55) 磁場中でも動作可能 ～ 310p.e./MeV

40

ＣｓＩ　Ｓｔｏｐｐｉｎｇ　Ｐｏｗｅｒ

41

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

42

Peak:577chσ：4.89±0.15%

ノイズレベル

43

σ=1.605ch

Equivalent noise level ～ 800keV

カロリメータ直線性

44

Pin diode 読出し ( Ｅ２４６ ) との比較

1 crystal の最小検出可能エネルギー APD ：～ 5MeV Pin Diode ：

5MeV

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。

Pin diode と同程度の分解能が APD でも得られた

45

APD テスト実験結果

simulation

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

46

Trigger

47

Trigger1 　 500MeV<m<850MeV p<100MeV

Trigger2 　 720MeV<m<850MeV p<400MeV

Trigger

48

Trigger1712MeV

Trigger1782MeV

Trigger2782MeV

49

50

Position Resolution

Pin diode Readout

51

LEPS Photon Energy

52

53

TAPS Transparency ratio

54

Gain 調整前 (300MeV)

55

Gain 調整後

56

Iteration 後

57

58

22

85.10.61

EE

E

青線 : 得られたエネルギー分解能のフィッティング結果 2

2

21

20 b

Eb

Eb

EE

b0:ノイズ項b1:統計項b2: 定数項

Yield の計算

59

Yield の見積もり ３つのポテンシャル

60

K. Utsunomiya, Master Thesis (2010)

Yield の見積もり (hole あり )

61

Missing Mass Spectra

Invariant Mass Spectra

504 イベント 601 イベント 204 イベント

K. Utsunomiya, Master Thesis (2010)

Final プロット

62

2366 イベント 2755 イベント 938 イベント

Invariant mass spectraK. Utsunomiya, Master Thesis (2010)

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

イベント数規格化でかけている factor 　 1,10.14,1.606,0.8755

63

2 層目のシンチレータの β 分布