t2k 実験ミューオンモニターによる ビームモニタリング

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T2KT2K 実験ミューオンモニターに実験ミューオンモニターによるよる

ビームモニタリングビームモニタリング京都大学京都大学 久保　一久保　一

for T2K MUMON groupfor T2K MUMON group

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ミューオンモニターとはミューオンモニターとは ?? ニュートリノ生成時に発生するミューオンを用いて、ニュートリノ生成時に発生するミューオンを用いて、

ニュートリノビームをリアルタイムに監視するニュートリノビームをリアルタイムに監視することがでことができる。きる。 方向と強度を測定方向と強度を測定 (( 角度情報は角度情報は off-axis off-axis 角の管理に必須角の管理に必須 )) off-axis off-axis 角に対する精度要請角に対する精度要請 < 1mrad< 1mrad ビームダンプを突き抜けた、ビームダンプを突き抜けた、 5GeV/c 5GeV/c 以上の以上の

を測定する。を測定する。

p ビームダンプ

標的 & ホーン

ミューオンモニター( MUMON )

T2K 二次ビームラインの模式図

SK へOA = 2.5°

33

T2K MUMONT2K MUMON 検出領域検出領域 : 1.5m x 1.5m: 1.5m x 1.5m 22 つの独立な検出器アレイで構成される。つの独立な検出器アレイで構成される。

Si PIN Si PIN フォトダイオードフォトダイオード ( 7 x 7 ), ( 7 x 7 ), 上流側上流側 イオンチェンバーイオンチェンバー (7 tube x 7), (7 tube x 7), 下流側下流側

( Ar + 2%N( Ar + 2%N22 gas ) gas )

それぞれのアレイでのそれぞれのアレイでの 49ch 49ch の測定から、の測定から、ビームプロファイルを再構成ビームプロファイルを再構成 強度、角度情報を得る強度、角度情報を得る

( 1mrad ≒( 1mrad ≒ プロファイル中心プロファイル中心 11.8 cm )11.8 cm )

目標精度目標精度 ビーム中心ビーム中心 : 3 cm ( ~ 0.3 mrad ): 3 cm ( ~ 0.3 mrad ) ビーム強度ビーム強度 : 3 %: 3 %

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検出器の写真検出器の写真

イオンチェンバー Si PIN フォトダイオード

最大108 / cm2 / spill

20092009 年年 22 月月 インストールインストール

55

First signalFirst signal

20092009 年年 44 月月 2323 日日T2KT2K で最初のニュートリノ生成を観測で最初のニュートリノ生成を観測

IC

Si

シンチ( 仮設 )

66

プロファイル再構成プロファイル再構成

22 次元ガウシアンで次元ガウシアンで 49ch 49ch の測定結果をフィットして、の測定結果をフィットして、ビーム中心位置を割り出す。ビーム中心位置を割り出す。

run280089, event33 : 4.5 x 1012 ppb , 1bunch, 3horns @320kA

77

MUMON MUMON ででできることできることできたことできたこと

88

HornHorn による収束の確認による収束の確認

電磁ホーンにより親電磁ホーンにより親が収束され、が収束され、 フラックスが数倍フラックスが数倍に増加していることが確認できた。に増加していることが確認できた。

3 horns @320kA 3 horns @320kA でで 約約 77 倍倍 (( 中心位置中心位置 )) ビームの広がりビームの広がり (sigma) (sigma) も狭くなっている。も狭くなっている。

3 horns, 320 kA1st horn, 275 kAno horn, 0 kA

peak sigma1,551pC 82cm467pC 95cm219pC 109cm

99

ビーム角度の監視ビーム角度の監視

X, Y X, Y ともに中心位置はともに中心位置は 1 mrad1 mrad 以内以内 RMS 3mm (≒RMS 3mm (≒ ビーム角度ビーム角度 ~ 0.03 mrad~ 0.03 mrad, , 目標より目標より 11 桁良い桁良い ))

Si, X center IC, X center

RMS = 2.9 mm RMS = 4.3 mm

Si, Y center IC, Y center

RMS = 1.8 mm RMS = 2.3 mm

1010

ビーム安定性ビーム安定性 (( 収量収量 )) の監視の監視

RMS/Mean : 0.24%, 0.32% (Si, IC)RMS/Mean : 0.24%, 0.32% (Si, IC) 陽子ビーム数の測定精度陽子ビーム数の測定精度 : 0.2% ( 0.5% : 0.2% ( 0.5% 精度の精度の CTCT がが 55 つつ )) MUMON MUMON 自体の測定精度自体の測定精度 (S/N): 0.03%, 0.2% (Si, IC)(S/N): 0.03%, 0.2% (Si, IC) HornHorn 電流によるふらつき電流によるふらつき : ~ 0.1%: ~ 0.1%

現時点で目標の現時点で目標の 1010 倍の精度倍の精度 , , さらに長期の安定性は要確さらに長期の安定性は要確認認

Si IC

2010/01/23, 18kW operation, horns 250kA

1111

陽子ビーム照射位置に対する応答陽子ビーム照射位置に対する応答

Horn Horn 電流電流 250kA250kA 陽子ビームが陽子ビームが XX 方向に方向に 1mm1mm ずれると、ずれると、 MUMON MUMON 中心中心 はは 約約 2cm2cm 動動

くく MUMON MUMON 中心を中心を 3mm 3mm の精度で測定の精度で測定

陽子ビーム照射位置にして陽子ビーム照射位置にして 0.1~0.2mm 0.1~0.2mm のずれに感度がある。のずれに感度がある。 電流電流 OFF OFF の時も相関があるの時も相関がある

ターゲットのアラインメントを確かめる手段になる。ターゲットのアラインメントを確かめる手段になる。

( 横軸は、 proton beam 照射位置に対応 )

preliminary250kA 0kA

1212

HornHorn 状態の監視状態の監視

MUMON MUMON は、は、HornHorn 電流電流 1%1% の変化にの変化に対しても感度がある。対しても感度がある。

ある程度ある程度 eventevent 数を貯め数を貯めてて時間変化を見てやると、時間変化を見てやると、1%1% 以下の以下の hornhorn 電流の電流のふらつきと相関が見られふらつきと相関が見られる。る。

MUMON(Si) *scaled for comparisonHorn1

1313

MCMC との比較との比較

Beam MC study Beam MC study も進めている。も進めている。 現状、現状、 Data Data とと MC MC で収量、プロファイルの広がりに差があるで収量、プロファイルの広がりに差がある 高エネルギーで特定の角度に放出される高エネルギーで特定の角度に放出される に感度に感度

HornHorn 電流値に対する応答などから電流値に対する応答などからハドロン生成モデルに示唆をハドロン生成モデルに示唆を (( 目標目標 ))

Data x: 120.4 cmMC x: 127.9±3.7 cm

Horn 0 kA Spill 622787

0kA0kA 3Horns 3Horns 320kA320kA

Data/MCData/MC 0.60.6 0.90.9

Data x: 69.7 cmMC x: 84.6±0.6 cm

3 horns 320 kA Spill 332358

1414

まとめまとめ ミューオンモニターは、ミューオンモニターは、 20092009 年年 44 月に月に T2KT2K 実験初の実験初の

ニュートリノ生成の証拠となる信号を確認ニュートリノ生成の証拠となる信号を確認した。した。 その後、ホーンの動作の確認や二次ビーム中心位置の精密測その後、ホーンの動作の確認や二次ビーム中心位置の精密測

定により、定により、ビームコミッショニングに多大な貢献ビームコミッショニングに多大な貢献を果たしを果たした。た。

今冬のビーム強度今冬のビーム強度 (~18kW) (~18kW) におけるにおける MUMONMUMON の測定精度はの測定精度は ビーム方向ビーム方向 : : 0.03 mrad0.03 mrad ( ( ビーム中心ビーム中心 : 3mm): 3mm) ビーム強度ビーム強度 : : 0.3 %0.3 %

であり、実にであり、実に当初目標の当初目標の 1010 倍の精度倍の精度を達成している。を達成している。 陽子ビーム照射位置陽子ビーム照射位置ややホーン電流の変化にも感度ホーン電流の変化にも感度があり、があり、

ニュートリノフラックスの見積りなどにも役立てられる可ニュートリノフラックスの見積りなどにも役立てられる可能性を持っている。能性を持っている。

標的、ホーンのアラインメント確認標的、ホーンのアラインメント確認ややハドロン生成モデルハドロン生成モデルの検証の検証などのなどの study study も可能である。も可能である。

今後も、今後も、リアルタイムにリアルタイムに beam beam を監視できるを監視できる T2KT2K で唯一で唯一の検出器の検出器として活躍していく。として活躍していく。

1515

おまけおまけT2K MUMON T2K MUMON のの 55 年間年間

1616

MUMONMUMON 年表年表 (1):(1): デザイン期デザイン期

2005/10 : 2005/10 : 電子ビームテスト電子ビームテスト チェンバー試作チェンバー試作 11 号機号機 (3ch), Si & Diamond(3ch), Si & Diamond ノイズ対策に苦しんだが、波形や線形性を確認ノイズ対策に苦しんだが、波形や線形性を確認

2006/6 : 2006/6 : 電子ビームテスト電子ビームテスト 設計に必要な基礎特性の測定設計に必要な基礎特性の測定

2006/12 : 2006/12 : 電子ビームテスト電子ビームテスト チェンバー試作チェンバー試作 22 号機号機 (7ch, (7ch, 松岡修論チェンバー松岡修論チェンバー )) スペックが十分であると確認、ほぼ設計を固める。スペックが十分であると確認、ほぼ設計を固める。

2007/6 : 2007/6 : 電子ビームテスト電子ビームテスト チェンバー試作チェンバー試作 33 号機号機 (3ch, T968(3ch, T968 チェンバーチェンバー ))

2007/11~2008/8 : 2007/11~2008/8 : 長期試験長期試験 @FNAL@FNAL FNAL T968FNAL T968 NuMI 2NuMI 2ndnd muon monitor muon monitor のところで半年間試験のところで半年間試験 実機製作に実機製作に Go Go サインサイン

黒澤 松岡

修論

久保

修論

結婚

1717

MUMONMUMON 年表年表 (2):(2):製作期製作期

2008/5~7 : 2008/5~7 : 実機製作実機製作 チェンバーチェンバー 88本製作本製作 , Si , Si 購入購入

2008/7 : 2008/7 : 電子ビームテスト電子ビームテスト 実機のテスト実機のテスト & & キャリブレーションキャリブレーション エレキを壊してしまうエレキを壊してしまう 実機にネジが緩む問題発見実機にネジが緩む問題発見

2008/8~9 : 2008/8~9 : 実機再アセンブリ実機再アセンブリ 2008/9 : 2008/9 : 電子ビームテスト電子ビームテスト

加速器が壊れて中止加速器が壊れて中止 ~ 2008/10 : ~ 2008/10 : 架台の設計・製作架台の設計・製作 2008/12 : 2008/12 : 検出器を現地に輸送検出器を現地に輸送 2008/12~2009/1 : 2008/12~2009/1 : 試験試験 , , 調整調整

温度・圧力管理温度・圧力管理 , , 架台の駆動機構架台の駆動機構 2009/2/13 : 2009/2/13 : 地下にインストール地下にインストール !!!!

松岡 久保

村上 田代

1818

MUMONMUMON 年表年表 (3):(3): 測定開始測定開始 !!!!

2009/2~3 : 2009/2~3 : 最後の追い込み最後の追い込み ケーブリングケーブリング エレキエレキ , HV, , HV, ガスガス ソフトウェア開発ソフトウェア開発

2009/4/23 : first signal !!!2009/4/23 : first signal !!! 2009/4~5 : commissioning2009/4~5 : commissioning

Si Si で十分な性能を確認で十分な性能を確認 ホーン収束を確認ホーン収束を確認

2009/7 : 2009/7 : 電子ビームテスト電子ビームテスト 将来の大強度将来の大強度 beambeam に対するに対する studystudy

2009/11~2010/1 : commissioning2009/11~2010/1 : commissioning このトークの内容このトークの内容

そして物理そして物理 RUNRUN へ・・・へ・・・

松岡 久保 村上 田代

鈴木

修論

パパに

1919

backupbackup

2020

DetectorsDetectors

イオンチェンバーは、ガスの温度・圧力・純度の影響を受イオンチェンバーは、ガスの温度・圧力・純度の影響を受けるため、特に注意して管理されている。けるため、特に注意して管理されている。 130 ±0.2 kPa130 ±0.2 kPa 34 ± 1 ℃34 ± 1 ℃ OO22 < 2 ppm < 2 ppm

200kW 200kW 前後で前後で Ar+NAr+N22 He + N He + N2 2 にガス種切り替えにガス種切り替え Si Si は放射線ダメージを受けるので、交換か後継の検出器には放射線ダメージを受けるので、交換か後継の検出器に

a chamber tubeunder assembling

2m

7 parallel plate pairs / tube

Si PIN photo diode(HAMAMATSU)

1cm2

300 m thickness

2121

waveformswaveforms

typical waveforms of Si & IC with 6-bunch beamtypical waveforms of Si & IC with 6-bunch beam 65MHz FADC readout65MHz FADC readout

MUMON Si & IC observed clear bunch structuresMUMON Si & IC observed clear bunch structures

2222

Basic Analysis methodBasic Analysis method analysis has done by analysis has done by

simple charge integrationsimple charge integration

& 2D Gaussian fitting.& 2D Gaussian fitting. for both online/offline analysisfor both online/offline analysis

PedestalGate

Silicon80 mV

for 3 x 1011 ppp

wave form x 49

in some analysis,we also use total charge of 49 ch

2323

linearity (Si)linearity (Si)

good linearitygood linearity against the proton beam intensity against the proton beam intensity

horn off

2424

Stability of the proton beamStability of the proton beam Run: 280136Run: 280136 Cont. 6-bunch operationCont. 6-bunch operation Inc. monitor stabilityInc. monitor stability

Stability of CT: 0.5%Stability of CT: 0.5%

RMS: 0.1 mm

RMS: 0.2 mm

RMS/Mean: 0.9%

2525

Absolute muon flux (silicon - dE/dx)Absolute muon flux (silicon - dE/dx) MC estimation of energy deposit in the silicon MC estimation of energy deposit in the silicon

plane at the center with 1plane at the center with 1stst horn 273 kA: horn 273 kA:EElossloss = 2.420 GeV/(15266 muon) = 158.5 keV/muon = 2.420 GeV/(15266 muon) = 158.5 keV/muon

Ionization yield:Ionization yield:Q = EQ = Elossloss / 3.6 eV x e / 3.6 eV x e00 = 7.045 x 10 = 7.045 x 10–3–3 pC/muon pC/muon

Si factor: Si factor: 141.9 muon/141.9 muon/pCpC