calet 熱構造モデルを用いた cern-sps ビーム実験 (2012) の概要

日本物理学会 2012 秋季大会 @ 京都産業大学

CALET 熱構造モデルを用いたCERN-SPS ビーム実験 (2012) の概要

赤池陽水 , 鳥居祥二 A, 笠原克昌 A, 小澤俊介 A, 小谷太郎 A, 中川友進 A, 植山良貴 A, 仁井田多絵 A, 中村政則 A, 吉田圭佑 A, 片平亮 A, 金子翔伍 A, 村田彬 A, 田村忠久 B, 　吉田健二 C, 片寄祐作 D, 清水雄輝 E, 寺澤敏夫 , J. W. MitchellF, P. S.

MarrocchesiG, 　　　　　　他 CALET チーム

東大宇宙線研 , 早大理工研 A, 神奈川大工 B, 芝浦工大 C, 横国大工 D, JAXA/SEUCE, NASA/GSFCF, Siena Univ.G


CERN 実験 (2012) の目的

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■ 実験目的　・熱構造モデルを用いた検出器の性能評価　・シミュレーションモデルの最適化

■ 実験予定　場所： CERN-SPS 加速器　日時：　　・ 2012 年 9 月 24 日 ~10 月 7 日　　　　 p ~ Fe ： 20 (~ 158) GeV/n　・ 2012 年 10 月 8 日 ~10 月 15 日 :　　　　電子 : 8 ~ 250 GeV　　　　陽子 : 30 ~ 350 GeV

CERN(2012) 実験における検出性能と検証項目について報告発表内容

CERN-SPS のビーム予定


ビーム実験の検出器構成

■ CALET 熱構造モデル　・フライトモデルと同じ構造　　　 - 寸法、サポート構造　今回の実験では使用する検出器数が　右表のように異なる

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CALET ビーム試験 (2012)

CHD 14 枚 x (X,Y) 3 枚 x (X,Y)

IMC (SciFi) 448 本 x (X,Y) x 8層

256 本 x (X,Y) x 8層

(W) 7 層（ 3X0 ） 7 層（ 3X0 ）

TASC 16 本 x (X,Y) x 6 層 3 本 x (X,Y) x 6 層

Moving Table

Support StructureHV Box

TASC

IMC + CHD

Si TrackerTrigger Scinti.

Trigger Scinti. (muon)

Beam

■ Si Tracker Si strip 入射位置検出用

9.4cm x 9.4cm

Pitch 732 um

128ch x (X,Y) x 6 Layers

Si pixel 入射電荷測定用9.0cm x 9.0cm

Pixel area : 1.125cm2

4 Layers

Δz = 0.1~0.35 (p~Fe)■PWO■Brass

フライトモデルとの違い


CERN 実験（２０１ 1 ）との比較

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TASC

TASC IMC + CHD

IMC + CHD

beam

beam CERN2011

– 構造 : 総物質量（ 30X0 ）シンチレータのみを重ねた構造– 読み出し方向 : X 側のみ– 入射粒子 : μ 粒子、電子、陽子

CERN2012– 構造 : 総物質量（ 30X0 ）

フライトモデルと同じサポート構造– 読み出し方向 : X, Y 両側– 入射粒子 : μ 粒子、電子、陽子、　　　　　　　　　原子核 (p ~ Fe)

熱構造モデルを使用することで、　　フライトモデルを模擬した装置構成による性能検証が可能原子核成分の測定性能を新たに検証予定

CERN 実験 (2012)


熱構造モデルのサポート構造

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■ CHD, IMC

■ TASC

PWO （ 19 mm x 20 mm x 326 mm)

PWO 間の隙間 : 1.42 mm サポート構造　炭素繊維強化プラスチック(CFRP)　厚さ 0.52 mm, 密度 1.78g/cm3

SciFi- ベルト :　各層の間隔 : 20.6 mm サポート構造　アルミ製ハニカム構造

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20

■PWO■Brass■CFRP

TASC

CHD + IMC

サポート構造

サポート構造

■SciFi■W-plate■Al

ハニカム構造辺の長さ：3.2mm厚み： 0.2mm

20.6

Layer-1

Layer-2

1.42 (PWO の間隔 )0.52(CFRP の厚み )


装置構造による電子シャワーエネルギーの差異

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■ 装置構造による違いIMC のエネルギー損失

TASC のエネルギー損失TASC におけるエネルギー遷移曲線

電子 100GeV電子 100GeV

電子 100GeV

― CERN(2011)― CERN(2012)

シミュレーション： EPICS v9.131 (Cosmos7.631)

― CERN(2011)― CERN(2012)

― CERN(2011)― CERN(2012)

N [MIPs]

N [MIPs]

　・ IMC におけるエネルギー損失量は、　　ほとんど変化なし　・ TASC では、シャワー発達が遅くなり、　　総エネルギー損失量が小さくなる


装置構造による電子・陽子シャワーの横拡がりの差異

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Deposit Energy in i,jth PWO　 Position of Shower Axis　 Position of jth PWO

𝑹𝑬=√ 𝚺𝒊𝚫𝑬 Layer 𝑖𝑹𝒊𝟐

𝚺𝒊𝚫𝑬 Layer 𝑖

TASC 中のシャワーの横拡がり― 電子 150GeV― 陽子 350GeV

― 電子 150GeV― 陽子 350GeV

CERN(2011) のシャワーの横拡がり

CERN(2012) のシャワーの横拡がり

𝑹𝑖=√𝚺𝒊𝚫𝑬 i , j× (𝑥 𝑗− 𝑥𝑐 )2

𝚺 𝑗𝚫𝑬 𝑖 , 𝑗

■ 装置構造による違い


　・同様の解析手法で、　　シャワーの横拡がりが大きくなる


原子核測定によるシミュレーションモデルの検証

• エネルギー測定• シャワーの横拡がり　⇒　 CALET に最適なモデル検証

TASC 中におけるエネルギー損失 TASC 中のシャワーの横拡がり

相互作用モデル　― dpmjet3 　― dpmjet3 < 80GeV < qgsjet2 　― phits < 2GeV < dpmjet3 　― phits < 2GeV < jam 　

例 ) C 158GeV/n 例 ) C 158GeV/n


■ ハドロン相互作用モデルによる依存性


陽子・原子核成分の粒子識別　 (後方散乱 )

CHD単体の電荷分解能

Δz < 0.3 (z<Fe)

原子核入射位置におけるIMC のエネルギー損失

CHD-X,Y の相関

後方散乱なし■ 電荷識別

入射位置における CHD, IMC の電離損失量から識別　⇒ 後方散乱の影響の程度を調べる

P.S.Marrocchesi et al, 2011

(Ni1.3GeV破砕核の照射実験 @GSI 加速器 )

後方散乱あり (30GeV/n)― p― He― B (3%)― C

― p― He― B ― C

― p― He― B ― C

原子核入射位置における CHD のエネルギー損失 ( シミュレーション )


TASC における代替物質の影響

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TASC

IMC + CHD

■PWO■Brass

密度[g/cm3]

放射長[cm]

臨界 E

[MeV]

RM

[cm]

PWO 8.30 0.89 9.64 1.96

真鍮 8.43 1.50 18.0 1.66

⇒ 残りの PWO部分の代替物質の影響を　　シミュレーションで検証　　・ TASC のエネルギー損失　　・後方散乱

TASC のエネルギー損失

P 350GeVP 350GeV

CHD のエネルギー損失(後方散乱粒子を含む )

⇒ 真鍮代用の　　影響はない

--- Full-PWO(full readout)

― Full-PWO

― PWO & Brass

― Full-PWO

― PWO & Brass

■ PWO は各層 3 本ずつ使用する　　（フライトモデルは 16本）

Beam


まとめ

• 2012 年 9 月 -10 月に、 CERN-SPS 加速器において熱構造モデルを用いた CALET のビーム照射試験を実施予定– 熱構造モデル

• フライトモデルと同じ寸法、同じサポート構造　⇒ 構造に依存する検出性能の違いを評価

– 入射粒子• 電子 : 8 ~ 250 GeV• 陽子 : 30 ~ 350 GeV• 原子核 (p~Fe): 20 ~ 158 GeV/n

　⇒ 特に原子核成分では最適なハドロン相互作用モデルの検証

• 実験結果を基にシミュレーションモデルの最適化を行い、 CALET 実機の観測性能検証に反映


おわり

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Muons pulse height distribution in Si-array

Heavy ion spectra at GSI with Si-array

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Simulation

● Code　　 Epics v9.13 (Cosmos v7.622) (phits < 2GeV < dpmjet3)

● Incident Position: Center of PWO ±0.5mm (gaussian: σ~0.5cm)　　　● incident Angle: 　　　 vertical

● Particle　　　 e: 290 GeV　　　 p: 350 GeV　　　 C: 158GeV/n

● Calculation - energy distribution in TASC - backsplash in CHD

CALET-STM

■ ：PWO■ ：Brass

Brass spec - ρ = 8.43 g/cm3 - composition Cu : Zn = 6 : 4


Energy Distribution (TASC)

e-: 290GeV

--- Full-PWO (Full-readout)― Full-PWO (using 3 logs)― with Brass (using 3 logs)



p: 350GeV




C: 1580GeV/n



CHD –backscattering-

CHD-X (incident point) CHD-Y (incident point)

・ ― Full-PWO・ ― with Brass

e-: 290GeV


CHD –backscattering -


p 350GeV

Tail region Tail region

Peak region

Peak region



CHD – backscattering -

C: 1580GeV/n



calet 熱構造モデルを用いた cern-sps ビーム実験 (2012) の概要

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