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フェルミ研ドレル・ヤン実験 SeaQuestの実験計画

東工大理、KEKA、理研B、山形大理C

宮坂翔、小畑滋希、工藤優弥C、後藤雄二B、澤田真也A、

Florian Sanftl、柴田利明、永井慧、中野健一、宮地義之C、

他SeaQuest Collaboration

2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 1

Contents

1. 陽子内の sea quark のフレーバー非対称度

2. フレーバー非対称度の起源

3. SeaQuest 実験

4. SeaQuest スペクトロメータ

5. Commissioning run

6. ビームラインのコミッショニング結果と予定

7. 検出器のコミッショニング結果と予定

8. まとめ

1. 陽子内の sea quark のフレーバー非対称度

• 陽子内の sea quark、特に𝑑 𝑥 , 𝑢 𝑥 の研究

• Gluon splitting

• Naïve assumption

• NMC (Muon deep inelastic scattering ,1991, CERN)

• E866/NuSea 実験 (Drell-Yan, Fermilab)


𝑢

𝑢 𝑑

𝑑

𝑑 𝑥 𝑢 𝑥 for 0.015 ≤ 𝑥 ≤ 0.35

（フレーバー非対称度） 𝑑 𝑥 𝑢 𝑥 ≃ 1.7 @ Bjorken 𝑥 ≃ 0.2 𝑑 𝑥 𝑢 𝑥 < 1?? @ Bjorken 𝑥 ≃ 0.3

陽子中の存在量 𝑑 𝑥 = 𝑢 𝑥

[𝑑 𝑥 − 𝑢 (𝑥)] 1

0𝑑𝑥 > 0

Drell-Yan 過程

𝑑 (𝑥)𝑢 (𝑥)

𝑥 E866実験の結果とCTEQ による予想

~70% asymmetry

2. フレーバー非対称度の起源

• パートンレベルでは

– パウリの排他律

• 陽子は ( u, u, d ) で構成されているため、g → uu よりも g → dd の方が生成されやすい。

• この効果による非対称度は1% 程度

• 中間子・バリオンレベルでは

– Meson-cloud model

• 𝑝 = 1 − 𝑎 − 𝑏 𝑝0 + 𝑎 N𝜋 + b Δ𝜋 + ⋯

• 𝐮 → 𝐮 + 𝐝 + 𝐝 → 𝝅+ + 𝐝 (確率が高い)

• d → d + u + u → 𝜋− + u



𝑥

difference

𝑑 𝑥 𝑢 𝑥 < 1 or 𝑑 𝑥 𝑢 𝑥 > 1????? @ Bjorken 𝑥 ≃ 0.3

SeaQuest: 𝒅 𝒙 𝒖 𝒙 𝐟𝐨𝐫 𝟎. 𝟏 ≤ 𝒙 ≤ 𝟎. 𝟒𝟓

3. SeaQuest 実験

• E906/SeaQuest 実験 (Drell-Yan)

• Drell-Yan 過程の断面積

• 非対称度の求め方


𝑑 𝑥 𝑢 𝑥 for 0.1 ≤ 𝑥 ≤ 0.45


𝑥

前方測定のため

ターゲット陽子中の anti-sea quark へアクセス

Beam Energy:

120 GeV (SeaQuest)

800 GeV (E866/NuSea)

断面積 : x7 ルミノシティ : x7 統計量 : x50

Drell-Yan 過程

1

2

𝑑2𝜎

𝑑𝑥𝑡𝑑𝑥𝑏= 4𝜋𝛼2

9𝑥1𝑥2

1

𝑠 𝑞𝑡 𝑥𝑡 𝑞𝑏 𝑥𝑏 + 𝑞𝑏 𝑥𝑏 𝑞𝑡 𝑥𝑡

SeaQuest の実験精度の予想

4. SeaQuest スペクトロメータ


Drawing: T. O’Connor and K. Bailey

• 日本グループはStation 3 の検出器の製作と運転を担当している • Station 3 には St.3+ DC と St.3- DCがある。 • トラッキングディテクターグループで中心となり働いている

5. Commissioning run


• 2012年2月20日～ 2012年4月30日

– 120 GeV/c 陽子ビーム, 19 ns インターバル (53 MHz)

– Beam 強度: 𝟏. 𝟎 × 𝟏𝟎𝟏𝟐 p/p, 5 s spill at 1 minute interval

– Target: H2, Empty Flask, D2, Fe, C, W 正常に動作

• 2013年7月から2年間の物理ランを始める

• Beam 強度: 𝟏. 𝟎 × 𝟏𝟎𝟏𝟑 p/p, 5 s spill at 1 minute interval

• 2年間で約 𝟏. 𝟎 × 𝟏𝟎𝟏𝟗個の陽子を得る

ミューオン対の飛跡の例

6. ビームラインのコミッショニング結果と予定


• Trigger & DAQ

– 強度不安定なビームによる

大量のヒットを持つ “splat event”

– そのようなイベントを除外するトリガーロジックを開発

– 現在加速器のアップグレードが行われている（電源安定等）

• ２つのビームラインモニター

– アンサーモニター（山田財団）

– チェレンコフカウンター（科研費？）

• ビームステータスを加速器メインコントロールルームへ即座に送ることが可能

• DAQ システムの veto 信号を作ることが出来る

• ルミノシティの正確な決定が可能になる

ビーム強度 vs 時間 (ms)

周波数領域 (Hz)

Commissioning run

物理ランに向けて

7. 検出器のコミッショニング結果と予定


• 検出器 (Hodoscope, Drift chamber, Drift Tube)

– ノイズ除去、ホットチャンネルの問題は

早急に解決した。

– 安定して稼働した。

– トラッキング等の解析が進行中

• ステーション１及び３－（下半分）のドリフトチェンバーのアップグレードが進行中

– 新しいステーション１のドリフトチェンバーは大きなブヨルケン x に対してのアクセプタンスを広げる

– ステーション３－のドリフトチェンバーの現状については、26aHC-9:永井慧によって詳しく発表された

• 5% の統計量増加が予想される

• 5月に準備完了

ステーション３での𝜇+のヒット分布（MCシミュレーション）

ステーション３－のDCのワイヤーは全て自分たちの手で張った

𝑥

𝑦

Commissioning run

物理ランに向けて

8. まとめ

• SeaQuest 実験はドレル・ヤン過程を使って陽子内の 𝑑 𝑥 𝑢 𝑥 をブヨルケン𝑥 が 0.1 ≤ 𝑥 ≤ 0.45 の範囲で測定する

• 2012年春に２ヶ月間の commissioning run に成功した

• 不安定なビームによる多数ヒットを持つイベント（ splat event ）を除くためのトリガーロジックが開発された

• 加速器は現在アップグレード中

• ２つのビームラインモニターを製作中

• 検出器はビーム強度𝟏. 𝟎 × 𝟏𝟎𝟏𝟏 p/s の下でデータを取得することが出来た

• ドリフトチェンバーはトラッキング等の解析が進行中

• ステーション１と３の下半分のドリフトチェンバーを製作中

• 2013年7月から物理ランを開始する


Back-up


4. 物理ランに向けてのドリフトチェンバーの目標

• 高効率でミューオンを検出する (~100%)

• 良質なデータを取得する

• 位置 vs 時間情報 (x-t カーブ)

• 要求されている位置分解能を満たす


6. 物理ランの計画


• ２年間で約 𝟏. 𝟎 × 𝟏𝟎𝟏𝟗個の陽子を得る

• ステーション１及び３－（下半分）のドリフトチェンバーのアップグレードが進行中

– 新しいステーション１のドリフトチェンバーは大きなブヨルケン x に対してのアクセプタンスを広げる

– ステーション３－のドリフトチェンバーの現状については、26aHC-9:永井慧によって詳しく発表された

2012/May

2013/July

Commissioning run Upgrade 物理ラン (2 years)

6. Splat event

• 大量のヒットが spectrometer で観測された (“Splat event”)

• Hodoscope の hit からビーム構造を読み取った

– Sizable 60Hz components

– Main injector problem

• そのようなイベントを除外するためのトリガーロジックを開発

• 十分な量のクリーンなイベントを取得することに成功


Event Display

トリガーをかける前後約100 ns の範囲

での積算ルミノシティの量に応じてトリガーをかけるか否かを決定する

Splat event

クリーンな event

5. ドリフトチェンバーの commissioning の状況

• HV: -2.4 kV, Gas: P8(Argon+Ethane) + CF4

• Gas gain ~1.2E5

• Single layer efficiency ~94%

• センス面は６層あることを考えると、この数値はもっと上げたい

• しかしこれ以上 HV を上げるとクロストークが増え、良質なデータが取れなかった。


高効率でミューオンを検出する (~100%)

• ドリフトチェンバーにHVを印加する回路に改善を施しクロストークの高さを抑えることに成功した。

良質なデータの取得


• チェンバー単体でローカルトラッキングを行なって求める

– ６層ある内の５層のヒットを使ってトラッキングを行い、そのトラックと６層目のヒットデータを用いて、x-t カーブを求める

• トラッキングアルゴリズムは既にある

• 現在はこのアルゴリズムがどれほど正しいかをチェックしている。

• １ヶ月以内にイタレーション解析を行い、最終的な x-t カーブを求める。


位置 vs 時間情報 (x-t カーブ)

Garfield simulation による x-t curve



要求されている位置分解能を満たす

• 要求されている位置分解能： 400μm

• 同様に、ローカルトラッキングにより算出する。２ヶ月ほどかかる予定。

• その結果により、物理ランでのチェンバーのセッティングを決める。

ドリフトチェンバーは物理ランの前までに準備が完了する

5. トラック再構成の手法

• ドリフトチェンバーは６層のセンス面を持つ (V’, V, X’, X, U’ & U)

• X 面以外の５面がトラック再構成に使われる。

• 再構成したトラックが通る各面のセルの中にヒットがあるときにトラック再構成が成功したとする。

• X 面はx-t カーブを導出するのに使われる。

– トラックが通った位置 = ドリフト距離 (X)

– トラックが通るX面のセルにあるヒットの測定された時間 = ドリフト時間 (T)

• その (x, t ) の組み合わせをプロットをして、x-t カーブを作る

• 出来た x-t カーブをインプットとして使用し、再びトラック再構成を行い、新しいx-t カーブを作る。そのようなイタレーション解析が必要である。


Reconstructed track

layer

X is projected

Related hits

V’

V

X’

X

U’

U

Reco. track w/ 5 planes

X of track T of hit

plane not used in track reconstruction

“Splat” event

• Large number of hits on all the spectrometer (“Splat”)

• Trigger hodoscopes to see the time structure of beam intensity

– Sizable 60Hz components

– Main injector power supply?

• “Splat block” was applied


Event Display

Splat block: Turn off triggers during high intensity

beam based on an integral of beam intensity

~1.5 million di-muon events were recorded

Track Reconstruction and event status

Find plane on layer U/U’ pair

Find plane on layer V/V’ pair

Find line of intersection of the 2 planes (Geometry track)

N of total hits in one chamber < 20

2013/3/26 19

Fit the track

Check the status of the fitted track

Geom. track or fit track

V’

V

X’

X

U’

U

Hit in the cell that the track passes

through? (in V’, V, X’, U’ & U)

“Related hits”

Ignore

JPS meeting 2013 Spring

4. Time-to-distance curve


• In the region of 0.1 < x < 0.8, this is consistent with the Dave’s curve within +- 10ns

• It doesn’t go through (X=0, T=0) point. • That behavior can be expected from

TDC dist. • We so far believe that it is due to high

e- threshold. • Garfield simulation shows well the

behavior around x = 0

preliminary

Obtained T-to-X curve Dave’s T-to-X curve, Projects-doc-1561-v2. I made this curve from the Excel table.

T-to-X curve by Garfield simulation, e- threshold = 20

Analysis procedure

T-to-X curve

Event selection from

raw data set

Stub reconstruction

Iteration

6. 導出された x-t カーブ

• 黒の線：中心値を繋げたもの • 黒のエラーバー：フィットの幅 • 青い線：インプットのx-t カーブ

(x, t) をプロットしたもの。各 T のbin において、 x方向にフィットを行った Garfield simulation による x-t curve

• 実データから導出されたx-t カーブはシミュレーションデータとほぼ一致した • 今後の予定：イタレーション解析、位置分解能の導出 2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 21

2. SeaQuest 実験

• 120 GeV 陽子ビームを使った固定標的型実験

• 𝑑 𝑥 𝑢 𝑥 for 0.1 ≤ 𝑥 ≤ 0.45

• ドレル・ヤン反応から生成されたミューオン対を観測する。


Beam Energy:

120 GeV / 800 GeV

Beam structure

2013/3/20 JPS meeting 2012 Autumn 23

2013/3/26 JPS meeting 2013 Spring 24 Kenichi Nakano


Kenichi Nakano

Expected Mass Spectrum

Mass spectra from E866/NuSea

• How is the nucleon sea generated? Filter out resonances, and focus on DY.

ECT* Conference, Trento, Italy May 2012

27

Nuclear Modification in DIS - Shadowing at low x - Enhancement below x ~0.3 - Suppression at larger x - Structure functions include both quark and anti-quark contributions - Measured for a broad range of targets (Ann. Rev. Nucl. Part. Phys., Geesaman, Sato and Thomas)

Nuclear Modification in Drell-Yan (E772) - Drell-Yan accesses the anti-quark component - Binding mediated by pion exchange - Exchanged mesons contain anti-quarks enhancement

No evidence of anti-quark enhancement in nuclei where did the pions go?

PRL 64 (1990) 2479


Nuclear Modification

Nuclear Modification: E906

Nuclear Targets: Carbon, Iron, Tungsten

• Nuclear Modification- complementary with DIS, extends previous Drell-Yan measurements

– Extend to x ~ 0.45

• E772: 800GeV proton beam

• Models must explain both Drell-Yan and DIS.

28


Why J/?

• Are gluon distributions similar between p and n?

• cc deconfinement J/ suppression in QGP

– J/ suppression competing against multiple effects: Absorption, CNM induced nuclear dependence

Often assumed, but not necessarily fundamental

?1)(

)(

x

x

g

g

p

n


• qq annihilation dimuon pair

)(

)(1

2

1

2 2

2|21 xu

xd

xxpp

DY

pd

DY

• gluon-gluon fusion

xg

xg

p

n

pp

J

pd

J1

2

1

2/

/

J/ Production: p-d, p-p

• gluon-gluon fusion

xg

xg

p

n

pp

pd

12

1

2


• Gluon distributions between p and n are very similar • E866: Upsilon production • E906: J/ production

Lingyan Zhu et al., PRL, 100 (2008) 062301 (arXiv: 0710.2344)

Again, what about bound systems?

• cc deconfinement J/ suppression in QGP

– J/ suppression during QGP formation competing against multiple effects: absorption, energy loss within nuclei, etc

How can we understand these “other processes”?


ANA

• absorption ~ xF=0?

– cc dissociation through interaction within nucleus or with comoving secondaries

• parton/gluon energy loss? – loss in both initial and final states

J/ Nuclear Dependence


Cannot account for the suppression remains a mystery

/dE dx

q, g

q

q

Suppression of J/ yield per nucleon

Partonic Energy Loss: pA1/pA

2

• An understanding of partonic energy loss in both cold and hot nuclear matter is paramount to elucidating RHIC data.

• Energy loss through cold nuclear matter

• Pre-interaction parton moves through cold nuclear matter and loses energy

• Apparent (reconstructed) kinematic values (x1 or xF)is shifted

• Fit shift in x1 relative to deuterium (E906)

33

Models:

• Galvin and Milana

• Brodsky and Hoyer

• Baier et al.


• Fits on E866 data reveal no energy loss.

• Correct for shadowing with DIS

– X2 anti-correlates with x1 and xF shadowing contributions at large x1

– Caveat: A correction must be made for shadowing because of x1—x2 correlations

– E866 used an empirical correction based on EKS fit to DIS and Drell-Yan.

• Better data outside of shadowing region needed

34

LW10504

E906 expected uncertainties Shadowing region removed


• Energy loss ~ 1/s

– larger at 120 GeV

• Sufficient statistics to remove shadowing contribution for low x2

• Measurements instead of limits

Drell-Yan fixed target experiments at Fermilab

• What is the structure of the

nucleon?

➡ What is ?

➡ What is the origin of the

sea quarks?

➡ What is the high x

structure of the proton?

• What is the structure of nucleonic matter?

➡ Where are the nuclear pions?

➡ Is anti-shadowing a valence effect?

• Do colored partons lose energy in cold nuclear

matter?

/d u

• SeaQuest: 2012-2014

➡ significant increase in physics reach

• Beyond SeaQuest

➡ Polarized Drell-Yan

➡ Pionic Drell-Yan 35

• Ｒｕｎ２１６６－２１６９：ＦＰＧＡ２Ｔｒｉｇｇｅｒ（Ｓｉｎｇｌｅｓ） Raw Rate = 88061212 After Inh Rate = 37185564 AcceptedTrigger = 601082 Ｒｕｎ２１５７－２１６１：ＦＰＧＡ１Ｔｒｉｇｇｅｒ（Ｄｉｍｕｏｎ） Raw Rate = 7029460 After Inh Rate = 385294 AcceptedTrigger = 189022


• Correlation to run

• Y axis: Occupancy for each chamber (mean value), X axis: Run ID

DC3m

DC2

DC1

DC3p DC3m

DC2

• With FPGA2(single trigger) (Run: 2166, 2167, 2168), the occupancy was low. • It is because of trigger type.

2013/3/26 Occupancy study 38

2013/3/26 JPS meeting 2012 Autumn 39

Readout electronics for drift chambers

2013/3/26 Polarized Drell-Yan Meeting @Yamagata 40

Wire chamber

Amplifier card

(ASDQ card)

Amplifier Card Control Board

(LS board) TDC To DAQ

PC • Set threshold • Send test pulse

• All systems worked. • Communication problem between Control room

(PC) and the Amplifier card control board Set independent network

• Feedback from TDC caused noise Ferrite core was attached to remove the noise.

Noise

St. 3 upgrade plan St. 3+

St. 3-

Anti-symmetric Loosing acceptance at large x

Acceptance recovery with New St. 3-

St. 3+

New St.3-

• Merit of New St. 3- • Stability … Any wire of old DC can break. • Statistics … We can have a symmetric acceptance. • Number of readout channels … 800 wires w/ 2-cm wire spacing … cf. old chamber: 1200 wires / 1-cm wire spacing

3/26/2013 41 SeaQuest Collaboration Meeting in Feb. 2012

Drawing of Cherenkov beam monitor


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