main barrel upgrade for j-parc koto exp.kunolab/year-end...main barrel upgrade for j-parc koto exp....

Main Barrel upgrade for J-PARC KOTO exp.

Dec. 19. 2011 Yamanaka Taku Lab. D2

Rie MURAYAMA

J-PARC KOTO実験における横方向光子検出器の性能向上

2012年12月21日金曜日

KOTO実験

• KL→π0νν の分岐比を測定

KOTO実験ではSMの感度を目指す分岐比がより大きければ、新しい物理の存在を示す

• 小林益川行列の複素成分ηを数％の小さな理論的不定性で測定可能な

Golden Mode

• 稀崩壊ーη

ーρ

K0L ! π0νν小林・益川理論のユニタリ三角

decay therefore o!ers information of the "S = 1 process. The hadronicmatrix element can be factorized as the well-known branching ratio of theK ! !e" decay [8]. The higher-order QCD corrections that couple to thevirtual top quark are calculable but small due to the large mass of the topquark [9]. A long-distance interaction contributes little to the K0

L ! !0""decay [7, 10, 11], because neutrinos are weakly interacting particles. Conse-quently, an uncertainty in the theoretical calculation is estimated to be onlya few percent, and the K0

L ! !0"" decay will o!er clean information on animportant basic parameter of current elementary particle physics.

Figure 1: SM diagrams for the K0L ! !0"" decay.

In the Standard Model, the decay amplitude of K0L ! !0"" is pro-

portional to the imaginary part of a product of CKM matrix elements,Im(V !

tsVtd), which corresponds to the height of the unitarity triangle asshown in Fig. 2. The unitarity of the CKM matrix has been considered asone of the most critical checks for new physics beyond the Standard Model.The pure and clean information obtained by the K0

L ! !0"" decay is crucialfor checks of the SM as well as those by B decays. By using current esti-mates for SM parameters, the branching ratio for K0

L ! !0"" is predictedto be

B(K0L ! !0"") = (2.20 ± 0.07) " 10"10

!#

0.2248

"8 #Im(V !

tsVtd)#5

X(xt)$2

,

(1)and is expected to lie in the range (2.8 ± 0.4) " 10"11 [12]. Here # # |Vus|,X(xt) = 1.464±0.041 is the value of Inami-Lim loop function [13] (includingthe QCD correction), and the parameter xt is the square of the ratio of thetop quark and W masses. Because $ in Im(V !

tsVtd) = $A2#5$ measuresdirectly the height of kaon unitarity triangle, the decay amplitude K0

L !!0"" violates CP directly and o!ers the best opportunity for measuring theJarlskog invariant:

JCP # $Im(V !tsVtdV

!usVud) = $#

%

1 $ #2

2

&

Im(V !tsVtd) , (2)

7

標準理論(SM)ではBR=2.4×10-11と予想E391a実験：2.6×10-8 (90%レベル)上限値


ν γ KL

←CsI カロリメータ

γ

ν

KOTO実験のシグナル検出と横方向光子検出器(Main Barrel)

• CsIカロリメータにてπ0からの2γを検出

• Main Barrelを含む、CsIカロリメータ以外の全検出器にて他事象を除去

Main Barrel


2π0 事象の除去

3年分データでのsignalと主なbackground数（他の各背景事象＜ 0.3events）

改良前改良後2π0 bkg

due to Main Barrel 2.56±0.19 0.39 ± 0.022π0 bkg other detectors 0.24 ± 0.01 0.24 ± 0.01

signalsignal 3.42±0.02 > 3.42

• KOTO実験での主なbackgroundは

KL→π0π0事象、

　計4γのうち2γをloss

　　検出器を追加しKL→π0π0事象を削減

Main Barrel upgrade


• 5 X0分の鉛シンチレータ積層型検出器• （鉛1mm厚+シンチレータ5 mm厚）×25層• ファイバー読み出し（距離5 m）• 全周を32モジュールで構成• モジュールは約20 cm角、3 m長で、220 kg

159.4mmread out

3m

←original←upgrade

KL

190.8mm

159.4mm

2π/32

新しい検出器の構成

read out


• 5 X0分の鉛シンチレータ積層型検出器• （鉛1mm厚+シンチレータ5 mm厚）×25層• ファイバー読み出し（距離5 m）• 全周を32モジュールで構成• モジュールは約20 cm角、3 m長で、220 kg

課題

→　本当に要求される性能を満たせるか

→　検出器を構成できるか

新しい検出器の構成


• 時間

• Back splashによる低エネルギーγの識別にてacceptance改善のために、時間分解能1.5ns@1MeV deposit 以上

　　→ファイバー(BCF92)を選択

• 光量

• background数の見積もりから、要求しきい値0.5MeV、5p.e./MeV以上

　 → ファイバー、PMTとの組み合わせで最も光量の高いシンチレータ(EJ200)の蛍光剤を選択

　 → bleeder分離による読み出し距離の最小化

性能要求と試験結果

CsIcal.

Main Barrel

Back splashによるover veto


加工による性能向上の検討• ほぼ既存MainBarrel部の方法を使用

• さらに性能や作業効率を向上

加工既存部 upgrade部試験機での値等溝形状角溝丸溝光量 11.9→12.1、作業効率ファイバー径 1.0mmΦ 1.5mmΦ 光量 11.9→15.9

接着剤 UVglue (NOA61) UVglue (NOA61) 硬化20分シンチ板成形ロール押し出し鋳型押し出し費用、光量 3%↓

溝形状　　板成形鋳型押し出しの表面は鏡面度が低い(上)

fiber diameter / groove shape

light yield [p.e./MeV]

1mmΦ / square 11.9

1mmΦ / circle 12.1

絶対光量を用いた比較結果 (溝形状)

ADC distribution [cnt]

#event

← pedestal

←1p.e.MIP↓

角に隙間ができやすい

• 光量は同じ

• 接着中の手直しの少なさを考慮すると丸溝がよい

2012年9月12日水曜日


性能について現在と今後の試験• 小型試験機を製作

• 厚さ一様性（板成形、接着面、鉛変形,,,）

• ファイバーの扱い（取り回し、端面処理,,,）

• 波形　　、、、

課題→　本当に要求される性能を満たせるか

→　検出器を構成できるか

再び、


検出器の構成• 既存検出器の内側

• 内側（ビーム側）にdead materialがない

• 既存部との間のdead materialが少ない

• インストールでは動かせるが、地震では動かない

• 考えること

• インストール後の支持

• インストール中の支持

• モジュール自体の成形


組み上げ方針• 全体を外で組み上げ、自立させる（ローマアーチ式）

• 1モジュールの形を確立してから、組み上げ

• 1モジュールの成形はテープ？、箱？、ボルト？

only way to fabricate such a long plate. It is also inexpensive andoffers control over plate thickness. On one side of the plate,multiple grooves with a cross-section of 1:2mm (width)!1:3mm (depth) were machined with 10mm spacing in order tohouse WLS fibers of 1mm diameter. The WLS fibers are BCF-91Aby Bicron [10] for the FB and Y11-M by Kuraray [11] for the MB.Both are of the multi-clad type. Fibers were glued into thescintillator grooves with NORLAND Optical Adhesive NOA61 [12].The glue was cured by exposure to ultraviolet (UV) light.

Between the lead sheet and the scintillator plate, we inserted thereflector sheet of Toray TiO2 PET [13] with a thickness of 188mm.

The number of readout units per module was two for both theFB and MB, as shown in Table 1.

The PMTs used for the WLS fiber readout were the newlydeveloped Hamamatsu R329-EGPX [14,15], with photo-cathodesensitivity 1.8-times larger than that of the standard R329 in thewavelength region of 500nm.

2.3. Construction

2.3.1. Scintillator plate with WLS fibersFirst, multiple grooves were processed on the scintillator plate

by using multi-blade saws. With one pass of the machine through

the scintillator plate, all grooves were formed. After groovecutting, the scintillator plate was machined to a pre-determinedsize, and holes for stud bolts were drilled. In order to maintainaccurate dimensions, all machining was done at a roomtemperature of 20" 1 #C.

Next, we glued fibers in the grooves according to the followingprocedure:

(1) fill the scintillator grooves with glue,(2) arrange fibers in the grooves and apply tension,(3) cure the glue by exposing it to UV light with a light flux of

10.8W over the 5.5m-long plates for 30min. The accumulatedlight energy is estimated to be 1 J=cm2.

Using two exposure tables, we could fabricate plates for the MB ata rate of 15 plates per day. Since the total number of plates is 1500for the MB, it took about 100 days to finish gluing. A photo of thegluing process is shown in Fig. 4.

2.3.2. Lead/scintillator stackingWe used an inclined table (inclination angle of 20#) for

laminate stacking, as shown in Fig. 5.For the position adjustment of the scintillator plate and lead

sheet, we used bolts passing through the module. Since the lengthof the lead sheet is limited to be less than 1.5m for easy handling,we used four separated sheets for MB and two for FB. Between thescintillator plate and the lead sheet, we inserted a reflector sheetof TiO2 PET. After stacking half of the laminate layers, we applied apressure of 3 tons/m from the backside with a press. Through this,

ARTICLE IN PRESS

414.

3515.

2

121.6

SUS Belt

Inner(27layers)

Outer(32layers)

268.5

346.

5

Backbone plate

Inner(15layers)

Outer(30layers)

200.0Charge veto

Disc spring

28.6

Fig. 2. Cross-sections of the barrel vetoes. Top is the front barrel (FB) and bottom isthe main barrel (MB) modules. For FB, the lead/scintillator laminate is fixed to thebackbone structure with five steel belts (100mm-thick and 200mm-wide) and sixstud bolts (5mm diameter). For MB, the laminate is fixed to the backbone platewith fifty stud bolts (5mm diameter).

Plastic scintillator 5mm

WLS fiber !=1mm

TiO2PET 0.188mm

TiO2PET 0.188mm

Pb sheet 1mm or 2mm

Direction of incident particles

10 mm

Fig. 3. WLS fiber setting and light shields. The grooves for the WLS fibers havecross-sections of 1:2mm (width)! 1:3mm (depth). The distance between groovesis 10mm.

Fig. 4. Photo of the gluing room. On both sides, tables equipped with UV-lightsources for glue curing are visible.

Y. Tajima et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 592 (2008) 261–272 263

既存MainBarrel部の内層（左写真）と断面（右図）


テープで想定されるゆがみ

モジュールのゆがみ

7

• テープ巻きの場合に、モジュールが円筒になるゆがみ

→10mm幅（テープの幅方向に相当）のとき、荷重P [N]

あたりのゆがみの大きさはymax = 0.61P [mm]

→テープで巻く強さによっては中に背板、腹板が必要

2)

2012年10月23日火曜日

• テープ10mm幅、荷重P [N]でのゆがみ ymax ~ 0.61P [mm]

• 5点支持ならテープ強度280[N]以上 × 10カ所が必要　by 山中さん


テープ結束の強度• ガラス繊維布テープ、フィラメントテープ、ステンバンドを候補

• 引っ張り強度を確認

　強度 = 油圧 * 圧縮面積 / テープ枚数

• 真空環境(3weeks)後の強度も確認

Namespec strength [kgf / sheet]

glass cross #6400

270glass cross

#6400270

filament #898

325filament

#898325

steel band 317.8

strength [kgf / sheet]

condition

158 glue (3M #8006)

68 glue (Cemedine)

272 2 sheets pile up

245 3 sheets pile up

>2721 ---


実物大の強度試験

たわみblack band：枕木位置(5本)blue band：テープ位置

black：布テープred ：ステンバンド

• 本番サイズのアクリル板、鉛、反射材を用いて強度試験


16

その他の変形と改善検討• 強く結束すると、非対称性がなくなる方向にずれが生じた

• ~ 0.20T だけ板が横滑りする力 (T=張力)あり

• 層の摩擦>0.3として、静止摩擦 ~ 0.59T は十分大きいが...

→ 側面ステン板で防止可能 ? 部分試験を考える2012年12月21日金曜日

まとめ• 性能

• 小型試作機にて一連の工程を整理、本番形態で波形を確認

• 構造

• 現在想定の方式を見込めた

• モジュールの層の横ずれ防止が必要

• その他、幾つかの改善を行い、作業効率や精度を改善予定

• 組み上げ治具や一体化後の保持方法について、現在準備、検討中。一部は1月に試験予定

• 今後

• 3月頃：1 module製作、来夏：全module製作＆インストール


backup

18


絶対光量を用いた構造/加工法の比較

trigger

scinti

90Sr source+collimator

PMTへ→

PMTへ←

fiber 両読み各1m

• EJ200シンチレータとBCF92ファイバーを使用

• 接着剤で光学接続を保証（オプティカルセメント (BC600) またはUV硬化剤 (NOA61) で固定）

• シンチレータから1mの距離で読み出し


• 上流側読み出しのPMT位置をbleederから離し、ファイバーの長さを約2m短縮、2.2~5.2m→0.25~3.25m　　　　　8.3 p.e./MeV以上

※ 下流側読み出し 1.75~4.75mは、空間が狭く位置変更できないが、検出器の上流端は入射γが少ないため許容可　　　　　5 p.e./MeV以上

read out

read out

3m

KL

PMTbleeder

bleederとPMT配置場所による光量の改善

PMT+bleeder


main barrel upgrade for j-parc koto exp.kunolab/year-end...main barrel upgrade for j-parc koto exp....

Documents