J-PARC KOTO実験におけるMainBarrel宇宙線データ

の解析

高島 悠太 山中研

KOTOグループM1

2012年年末発表会@大阪大学

2012/12/211

KOTO実験概要

•KL→π0ν ν崩壊測定実験•実験目的標準理論で予測される分岐比

Br(KL→π0ν ν) = 2×10-11 ∝η2

•Brが小さい→新物理の探索に感度がある

いかにしてbackgroundを抑えるか

_

_

ＫＯＴＯ実験（@J-PARC）

• KL → π0νν崩壊

–崩壊率がCKM行列のη2に比例（CP非保存）

–理論的不定性が小さい– ＳＭの精密検証、New Physicsの探索

– SM Br(KL →π0νν)=2.5×10-11 →  観測例なし

CKM行列

→ 世界初の観測を目指す実験

2

実験原理

•シグナルの同定：π0(with transverse momentum)+nothing

•π0→2γをCsIカロリメータで測定•崩壊領域をveto検出器で覆い、他に検出可能な粒子が生成していないことを確認

3

2.3. KOTO実験検出器 第 2. KOTO(E14)実験

図 2.9: Main Barrel

図 2.10: NCC

24

横方向光検出器(Main Barrel)の構造

4

Main Barrel

Main Barrel(MB)と呼ばれる横方向光検出器構造

•E391a実験で使用したものを再利用•鉛とシンチレータの積層構造(1本のMainBarrel：Outer30層, Inner15層)

•波長変換ファイバーとPMTによる読み出し役割

• 崩壊領域で横方向に放出されるγのvetoを担当

(予想される主なback groundはKL→ π 0π 0 → 4γ のうち、2γをlossした場合)

5

撮影：Dec.06

今回のテーマ

宇宙線によるMain Barrel

とBCVのCalibration

6

7

セットアップ ※ビーム下流から見た図•さらに内側にBCV•トリガーシンチレータの配置とチャンネルアサイン• MB:128ch (32ch×2層×上下流)•BCV:64ch (32ch×上下流)•トリガー条件は各シンチ：両読み要求(上側4枚OR)と(下側4枚OR)のCoincidence

０

15

13

141112

9

10

7

8

56

43

2

1

０

24

16

8

ground

時間原点補正

8

•MBはVETO用検出器として使用される•正しいタイミングでVETOされるためには、各MBごとの時間原点が揃っている必要がある

•トリガーシンチレータの位置を測定し、MB上下流での信号の時間差、MBの伝搬速度から求める

9

Main Barrelの伝搬速度MB時間差と、トリガーシンチレータ同士の距離から伝搬速度が求まる

TimeDif_MB_0-8Entries 5452Mean -31.65RMS 1.175

/ ndf 2r 117.4 / 48Prob 9.448e-08Constant 7.3± 409.6 Mean 0.01± -31.62 Sigma 0.011± 1.028

-40 -38 -36 -34 -32 -30 -28 -26 -240

50

100

150

200

250

300

350

400

450

TimeDif_MB_0-8Entries 5452Mean -31.65RMS 1.175

/ ndf 2r 117.4 / 48Prob 9.448e-08Constant 7.3± 409.6 Mean 0.01± -31.62 Sigma 0.011± 1.028

TimeDif_MB_0-8 TimeDif_MB_1-9Entries 5452Mean -32.92RMS 0.9959

/ ndf 2r 105.3 / 42Prob 2.411e-07Constant 8.9± 498.2 Mean 0.01± -32.91 Sigma 0.0098± 0.8492

-40 -38 -36 -34 -32 -30 -28 -26 -240

100

200

300

400

500

TimeDif_MB_1-9Entries 5452Mean -32.92RMS 0.9959

/ ndf 2r 105.3 / 42Prob 2.411e-07Constant 8.9± 498.2 Mean 0.01± -32.91 Sigma 0.0098± 0.8492

TimeDif_MB_1-9 TimeDif_MB_2-10Entries 5452Mean -31.29RMS 4.49

/ ndf 2r 53.76 / 45Prob 0.1739Constant 0.488± 4.317 Mean 0.77± -30.98 Sigma 1.043± 4.161

-40 -38 -36 -34 -32 -30 -28 -26 -240

2

4

6

8

10

12

TimeDif_MB_2-10Entries 5452Mean -31.29RMS 4.49

/ ndf 2r 53.76 / 45Prob 0.1739Constant 0.488± 4.317 Mean 0.77± -30.98 Sigma 1.043± 4.161

TimeDif_MB_2-10 TimeDif_MB_3-11Entries 5452Mean -32.27RMS 4.379

/ ndf 2r 42.51 / 47Prob 0.659Constant 0.680± 7.269 Mean 0.22± -31.88 Sigma 0.265± 2.771

-40 -38 -36 -34 -32 -30 -28 -26 -240

2

4

6

8

10

12

TimeDif_MB_3-11Entries 5452Mean -32.27RMS 4.379

/ ndf 2r 42.51 / 47Prob 0.659Constant 0.680± 7.269 Mean 0.22± -31.88 Sigma 0.265± 2.771

TimeDif_MB_3-11

TimeDif_MB_4-12Entries 5452Mean -31.69RMS 4.728

/ ndf 2r 47.36 / 47Prob 0.4578Constant 0.618± 5.175 Mean 0.32± -32.46 Sigma 0.526± 3.235

-40 -38 -36 -34 -32 -30 -28 -26 -240

2

4

6

8

10

12

TimeDif_MB_4-12Entries 5452Mean -31.69RMS 4.728

/ ndf 2r 47.36 / 47Prob 0.4578Constant 0.618± 5.175 Mean 0.32± -32.46 Sigma 0.526± 3.235

TimeDif_MB_4-12 TimeDif_MB_5-13Entries 5452Mean -31.89RMS 4.64

/ ndf 2r 46.4 / 29Prob 0.02143Constant 219.8± 150.9 Mean 10.53± -93.76 Sigma 18.36± 20.22

-40 -38 -36 -34 -32 -30 -28 -26 -240

2

4

6

8

10

12

TimeDif_MB_5-13Entries 5452Mean -31.89RMS 4.64

/ ndf 2r 46.4 / 29Prob 0.02143Constant 219.8± 150.9 Mean 10.53± -93.76 Sigma 18.36± 20.22

TimeDif_MB_5-13 TimeDif_MB_6-14Entries 5452Mean -31.49RMS 4.434

/ ndf 2r 53.49 / 46Prob 0.2088Constant 0.645± 5.787 Mean 0.26± -30.94 Sigma 0.324± 2.713

-40 -38 -36 -34 -32 -30 -28 -26 -240

2

4

6

8

10

12

TimeDif_MB_6-14Entries 5452Mean -31.49RMS 4.434

/ ndf 2r 53.49 / 46Prob 0.2088Constant 0.645± 5.787 Mean 0.26± -30.94 Sigma 0.324± 2.713

TimeDif_MB_6-14 TimeDif_MB_7-15Entries 5452Mean -31.77RMS 4.673

/ ndf 2r 63.41 / 46Prob 0.04511Constant 0.475± 3.958 Mean 0.63± -31.89 Sigma 1.105± 4.452

-40 -38 -36 -34 -32 -30 -28 -26 -240

2

4

6

8

10

12

TimeDif_MB_7-15Entries 5452Mean -31.77RMS 4.673

/ ndf 2r 63.41 / 46Prob 0.04511Constant 0.475± 3.958 Mean 0.63± -31.89 Sigma 1.105± 4.452

TimeDif_MB_7-15

Mean:-31.6 nsトリガーA

A_Inner A_Outer

v 17.1 17.3

vの誤差 0.40 0.34

σ入射位置 338 334

σ入射位置2 2

[cm/ns]

[cm/ns]

[ps]

の誤差[ps]

0 100 200 300 400 500165

170

175

180

185

190

195

/ ndf 2χ 1.39 / 2Prob 0.499p0 0.7681± 166 p1 0.002367± 0.05676

/ ndf 2χ 1.39 / 2Prob 0.499p0 0.7681± 166 p1 0.002367± 0.05676

Graph

0 100 200 300 400 500

170

175

180

185

190

195

200

/ ndf 2χ 0.3902 / 2Prob 0.8227p0 0.4069± 168.5 p1 0.001254± 0.05676

/ ndf 2χ 0.3902 / 2Prob 0.8227p0 0.4069± 168.5 p1 0.001254± 0.05676

Graph

0 100 200 300 400 500

170

175

180

185

190

195

200

/ ndf 2χ 0.3049 / 2Prob 0.8586p0 0.3597± 200.7 p1 0.001109± -0.06053

/ ndf 2χ 0.3049 / 2Prob 0.8586p0 0.3597± 200.7 p1 0.001109± -0.06053

Graph

0 100 200 300 400 500

175

180

185

190

195

200

/ ndf 2χ 1.024 / 2Prob 0.5992p0 0.6593± 204 p1 0.002032± -0.05854

/ ndf 2χ 1.024 / 2Prob 0.5992p0 0.6593± 204 p1 0.002032± -0.05854

Graph

-30 -20 -10 0 10 20 30

-400

-200

0

200

400

600

/ ndf 2χ 0.006626 / 2Prob 0.9967p0 8.333± -39.02 p1 0.4016± -17.06

/ ndf 2χ 0.006626 / 2Prob 0.9967p0 8.333± -39.02 p1 0.4016± -17.06

Graph

-30 -20 -10 0 10 20 30

-400

-200

0

200

400

600

/ ndf 2χ 0.07614 / 2Prob 0.9626p0 6.499± -67.23 p1 0.3387± -17.27

/ ndf 2χ 0.07614 / 2Prob 0.9626p0 6.499± -67.23 p1 0.3387± -17.27

Graph

時間差[ns]

位置の差[cm]

•ほとんどのchで補正値1ns以下(MB自身の時間分解能～1ns、FADCの1 clock cycle：8ns)

•12月runのMasterである増田さん(京大)と議論→結論：MBは時間原点補正は不要(問題のあるchが無いかどうか、NCC EtなどのZ位置のわかるビームデータを用いてチェックする予定)

時間原点補正

10

103,4,0/$'.%

��� ���

��� �����

���7 ���

!51�!(06/ �$'.% ��

"51�"(06/ � �$/3% ���� ����8���

42+����������4&-,/+�+&533,&/�.)&/�0*�"51�"(06/

� #��� .)&/ ��$/3%

� � ���� ����

� � ���� ����

� � ���� ����

Energy calibration

11

•各検出器での貫通ミューオンMIPOuter MB : 30MeVInner MB : 15MeVBCV : 2MeV

•FADCでの波高(PeakHeight)を以下のように揃えるヒット位置MB中央で

Outer MB : MIPを800 FADC countInner MB : MIPを400 FADC countBCV : MIPを2000 FADC count

Energy calibration

12

•解析にはRun前に取ったCOSMICデータ(約20時間)約12時間分のCOSMICデータを使用•※下の図はビーム前に取得したCOSMICデータ

H_4_8_3Entries 1102Mean 433.4RMS 235.3

/ ndf 2r 46.7 / 28Constant 21.0± 362 MPV 4.4± 450.9 Sigma 2.06± 38.38

0 200 400 600 800 1000 1200

1

10

210

H_4_8_3Entries 1102Mean 433.4RMS 235.3

/ ndf 2r 46.7 / 28Constant 21.0± 362 MPV 4.4± 450.9 Sigma 2.06± 38.38

H4 ID8 cut3

0 10 20 30 40 50 60200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

PS_8_3Entries 70528Mean x 31.52Mean y 347.7RMS x 18.53RMS y 153.5

1

10

210

PS_8_3Entries 70528Mean x 31.52Mean y 347.7RMS x 18.53RMS y 153.5

PulseShape ID8 cut3

Energy calibration

13

•PMT gain curveはLimさん(KEK)から頂いたデータを使用

12/20の夕方にHVセット完了→どの程度揃っているのかをNCC Etなどのデータから確認し調整を繰り返す(確認はまだ)

•gain curve ADC=KVα を仮定(α:gain factor)

欲しいHV値 =(使用HV) × ( 目標値/MPV )^( 1/gain factor )

まとめMB 時間原点補正

•現時点では必要なし•NCC Et などでチェックする予定

MB Energy calibration

絶対値はCOSMIC、相対値はビームデータ•12/20の夕方にHV変更完了(MB&BCV 192ch)

•CsI Et、NCC Etなどのビームデータを用いて短時間(30分~1時間)で相対的なズレを把握し、微調整を行う

12月runは26日まで14

Back Up

15