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1 CALET プロトタイプの ビーム実験結果と シミュレーションの比較 早大理工研, 神奈川大工 A, 横浜国大工 B, 苅部樹彦, 鳥居祥二, 笠原克昌, 小澤俊介, 清水雄輝, 赤池陽水, 相場俊英, 植山良貴, 奥野祥二 A, 田村忠久 A, 片寄祐作 B

2 目次 研究目的 実験概要 データ解析方法 解析の流れ 検出器の座標較正, シャワートリガーと混入粒子除去条件 陽電子に関する実験結果とシミュレーションとの比較 シミュレーション条件 データ解析 エネルギー損失分布 遷移曲線 分解能 シャワーの横拡がり まとめ 1

3 研究目的 シミュレーションにおける粒子相互作用計算精度の検証 電磁相互作用モデル, ハドロン相互作用モデルの一致確認 エネルギー損失分布 遷移曲線 分解能, シャワーの横拡がり この結果をベースに現実的な CALET の性能評価を シミュレーションを用いて行う シミュレーションの整合性確認 EPICS と Geant4 の比較と一致確認 クロスチェックを行うことで評価の整合性を確認 2

4 実験概要 場所.: 欧州共同原子核研究機構 (CERN) 実験日時.:2010/9/16 ~ 2010/9/25 目的 IMCとTASCのプロトタイプ検出器に関する性能評価 シミュレーションによる粒子相互作用計算の精度検証 照射ビーム μ 粒子 : 150 GeV 電子 陽電子 : 6, 8, 10, 15, 25, 50, 75, 150, 200 GeV ハドロン : 30, 150 GeV CERN 加速器概要 North area SPS LHC SPS 加速器実験サイト 3

5 データ解析の流れ 実験データ シミュレーション SciFi ベルト及び TASC の座標較正 ビームプロファイル導入 SciFi の MIP 算出 PWO の MIP 算出とレンジ間較正 SciFi の MIP 算出 PWO の MIP 算出 SciFi クロストーク導入 実験時のノイズ導入 SciFi 及び PWO の Dead Channel 導入 トリガー条件及び混入粒子除去条件 実験データとシミュレーション結果の比較 4

6 検出器の座標較正 SciFi ベルト及び TASC の座標較正 実験で μ 粒子を打ち込んだ結果より, 各層について飛跡と最大発光点の座標の差を基に, 正確な検出器位置を確認 シミュレーション側の構造で再現 ( 下図で見ると,SciFi ベルトの上下や IMC と TASC の位置を較正 ) 例 ) Geant4 での検出器側面構造 TASC の座標較正 粒子の進行方向 IMC TASC SciFi ベルトの座標較正 5

7 シャワートリガーと混入粒子除去条件 シャワートリガー (High Energy Trigger) CALET で 10GeV 以上の電子シャワーを観測する際に用いる条件 IMC TASC :7+8 層目のエネルギー損失合計 15 MIP :1 層目のエネルギー損失 52 MIP 混入粒子除去のための条件加速器実験で電子ビームに混入したハドロンを除去するための条件 シミュレーションから条件を決定 TASC の全エネルギー損失分布で 大きいものから 99% の電子イベントを 残すようなカット 実験データとシミュレーションデータに同じ条件をかけて比較 陽電子 10GeV 除去 混入粒子 (π+ 等 ) ~99% 6

8 実験結果とシミュレーションの比較 7

9 シミュレーション条件 トリガーシンチで制限を受けたビームのプロファイル シミュレーションコード ( ハドロン相互作用モデル ) Geant4 (v9.4 p01) :QGSP-BERT,EPICS (v9.08) :DPMJET-III 生成データ各検出器構成要素でのエネルギー損失値等 ビームプロファイル 構造 実験データの飛跡から得られたビームプロファイルを導入 プロファイルは中央からずれているので, 条件を合わせるため 飛跡から求めた座標較正結果を導入 例 ) 陽電子 10GeV S1, S2 : mm CHD: mm アクリル窓 IMC : SciFi 32 本 8 層 W 板 7 枚, アクリル板 8 層 50 TASC : PWO 2 本 8 層 トリガーシンチの大きさ タングステン板の厚み 1 層目 0.80mm 2 層目 0.79mm 3 層目 0.80mm 4 層目 0.76mm 5 層目 0.76mm 6 層目 3.60mm 7 層目 3.64mm ( 1 r.l. = 3.503cm ) 合計 3.18 r.l. 8

10 データ解析 入射粒子 陽電子 10,15,25,50,75,150 GeV 位置 : トリガーシンチレーター S1,S2(1 1cm) を通過したイベント 方向 : 垂直入射 ( トリガーシンチの中央に入射 ) 解析条件 IMC : 7+8 層目のエネルギー損失合計 15MIP TASC : 1 層目のエネルギー損失 52MIP ( シャワートリガー ) 混入粒子除去条件 MIP 算出 μ 粒子 150 GeV のデータを使用 実データ : ランダウにペデスタルのガウス分布を畳み込んだフィット シミュレーション : ランダウフィット (SciFi,PWO 共 ) 9

11 IMC でのエネルギー損失 陽電子 10GeV 色分け : 実データ & Geant4 & EPICS 縦軸 : 実験データで規格化したイベント数横軸 : 粒子数換算したエネルギー損失値 ( 横軸は Log スケール ) IMC 各層でのでの比較 Layer 1 各層でのエネルギー損失の合計シャワー発達の様子が6 層目までで確認できる IMC 中の全 SciFi256 本でのエネルギー損失合計 シミュレーションと実データデータで良い一致 シングルイベント Layer 2 シャワーイベント Layer 3 Mean 差 : 0.848% Mean 差 : 1.17% Layer 4 Layer 5 全 SciFi Layer 6 Layer 7 Data : 215 ~70 MIP Layer 8 10

12 TASC でのエネルギー損失 陽電子 10GeV 各層でのエネルギー損失の合計 1 層目は PMT,2~8 層目は APD で読み出したデータを使用 TASC 各層で一致 (1 層目はこのデータで PMT-MIP をキャリブレーション ) TASC 中の全 PWO16 本でのエネルギー損失の合計 シミュレーションと実データデータで良い一致 縦軸 : 実験データで規格化したイベント数横軸 : 粒子数換算したエネルギー損失値 ( 横軸は Log スケール ) TASC 各層でのでの比較 Layer 1 Layer 2 Layer 3 ~110 MIP Mean 差 : 0.163% Mean 差 : 0.461% Layer 4 Layer 5 全 PWO Layer 6 Layer 7 Data : 215 Layer 8 11

13 IMC でのエネルギー損失 陽電子 150GeV 各層でのエネルギー損失の合計シャワー発達の様子が5 層目までで確認できる IMC 中の全 SciFi256 本でのエネルギー損失合計 シミュレーションと実データデータで一致 (10GeV ほど一致は良くない ) (Geant4 については値が小さく出る傾向あり ) シングルイベント 縦軸 : 実験データで規格化したイベント数横軸 : 粒子数換算したエネルギー損失値 ( 横軸は Log スケール ) IMC 各層でのでの比較 Layer 1 Layer 2 シャワーイベント Layer 3 Mean 差 : 1.70% Layer 4 全 SciFi Mean 差 : 6.88% Layer 5 Layer 6 Layer 7 Data : 261&449 ~280 MIP Layer 8 12

14 TASC でのエネルギー損失 陽電子 150GeV 各層でのエネルギー損失の合計 1 層目は PMT,2~8 層目は APD で読み出したデータを使用 TASC 各層で一致 (7 層目は APD 動作不良による不一致 ) TASC 中の全 PWO16 本でのエネルギー損失の合計 平均値は ~1% 程度のずれだが, 分布拡がりに違いが見られる Mean 差 : 0.983% 縦軸 : 実験データで規格化したイベント数横軸 : 粒子数換算したエネルギー損失値 ( 横軸は Log スケール ) TASC 各層でのでの比較 Layer 1 Layer 2 Layer 3 Layer 4 ~1400 MIP Mean 差 : 1.14% Layer 5 全 PWO (7 層目除く ) Layer 6 APD 動作不良 左図ではでは除外 Layer 7 Data : 449 Layer 8 13

15 エネルギー損失の遷移曲線 陽電子 10GeV 検出器におけるシャワー発達の遷移曲線で良い一致 TASC 1~8 層目において, Geant4 : 3.83% 以内の一致 EPICS : 2.84% 以内の一致 色分け : 実データ & Geant4 & EPICS 左図縦軸 : 実験値を基準としたTASC 各層でのエネルギー損失の比右図縦軸 : IMC 及びTASCの各層でのエネルギー損失の平均値横軸 : 検出器深さ Geant4 : 誤差 3.38% 以内 Epics : 誤差 2.45% 以内 TASC Layer 1 Data :

16 エネルギー損失の遷移曲線 陽電子 150GeV 検出器におけるシャワー発達の遷移曲線で良い一致 TASC 1~8 層目において, Geant4 : 5.89% 以内の一致 EPICS : 4.28% 以内の一致 色分け : 実データ & Geant4 & EPICS 左図縦軸 : 実験値を基準としたTASC 各層でのエネルギー損失の比右図縦軸 : IMC 及びTASCの各層でのエネルギー損失の平均値横軸 : 検出器深さ Geant4 : 誤差 5.89% 以内 TASC Layer 1 Epics : 誤差 4.28% 以内 APD 動作不良 Data :

17 エネルギー分解能 TASC でのエネルギー分解能 TASC におけるエネルギー損失分布を用いて分解能を定義 エネルギー分解能 : RMS TASC / < E TASC > 色分け : 実データ & Geant4 & EPICS 縦軸 : TASC におけるエネルギー分解能横軸 : 入射粒子のエネルギー 実験データとシミュレーションで傾向がほぼ一致 高エネルギー領域ではシャワーの 漏れ出しにより分解能が落ちる 実験結果の方が分解能が低い preliminary シャワー漏れ等による分解能劣化 除ききれていない混入成分の影響 ( コンタミ除去は今後の検討課題 ) マルチヒットした粒子の影響 ( 同時に複数粒子が入射したイベント ) 16

18 シャワー横拡がり IMC,TASC でのシャワー横拡がり 電子陽子識別に使うパラメーターの 1つとして比較 ( 例. 陽電子 10GeV ) IMCの横拡がりでは,IMC8 層目でシャワー軸が SciFiベルトの1mm 内側を通過するイベントを使用 IMC SciFi でのエネルギーエネルギーの重みをみを付けたけた横拡横拡がり IMCでは実験結果とシミュレーションで分布はほぼ一致するが, 差は平均値で ~4% 程度あり TASCではよく一致するが,1 層にPWO2 本しかないため,1cmのところでエッジができる [ エネルギーの重みを付けた横拡がり R E の算出式 ] 例. TASC の場合 PWO でのエネルギーエネルギーの重みをみを付けたけた横拡横拡がり TASC Data :

19 シャワー横拡がり IMC,TASC でのシャワー横拡がり 電子陽子識別に使うパラメーターの 1つとして比較 ( 例. 陽電子 150GeV ) IMCの横拡がりでは,IMC8 層目でシャワー軸が SciFiベルトの1mm 内側を通過するイベントを使用 IMC SciFi でのエネルギーエネルギーの重みをみを付けたけた横拡横拡がり IMCでは実験結果とシミュレーションで分布はほぼ一致するが, 差は平均値で ~3% 程度あり TASCでは分布に違いが見られるが, 平均値では ~2% 程度の差 [ エネルギーの重みを付けた横拡がり R E の算出式 ] 例. TASC の場合 PWO でのエネルギーエネルギーの重みをみを付けたけた横拡横拡がり TASC Data :

20 まとめ 実験結果からシミュレーションに検出器応答特性を導入 座標較正クロストークノイズ 陽電子に関する実験結果とシミュレーションの比較 陽電子 10~150 GeV のデータを使用実験データを基準とした平均値の誤差は以下の通りエネルギー損失エネルギー損失横拡がりの横拡がりの単位 [%] の平均値 (IMC) の平均値 (TASC) 平均値 (IMC) 平均値 (TASC) 10 GeV EPICS Geant GeV EPICS Geant 今後の課題 除き切れていない混入粒子を除去する条件の設定 ハドロンのデータ解析 19

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