T2K アップグレードに向けた高性能ファイバートラッカーの開発 ì 京都大学平本綾綾美第 22 回 ICEPP シンポジウム

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すずりあきくぼ
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1 T2K アップグレードに向けた高性能ファイバートラッカーの開発 ì 京都大学平本綾綾美第 22 回 ICEPP シンポジウム

2 2 T2K experiment v J- PARCからのニュートリノビームによる反応を前置検出器 (ND280) および後置検出器 (SK) で観測することでニュートリノ振動のパラメータ (θ 23, δ cp ) を測定している v どんな反応がどれだけ起きているのか正確に測る必要がある検出器の限界による系統誤差を減らしたい! CC interacdon A) CCQE signal B) CC1π C) CC DIS D) CC coh

3 3 ND280 (Near Detector) v ND280 における例 )CCQE 反応 μ ν μ neutron proton シンチレータ内で起こるニュートリノ反応によって出てくる二次粒子を Tracking 反応モード識別現在の前置検出器 FGD(Fine Grained Detector) 断面が約 1cm 1cmからなるシンチレータバーでTracking 約 5cm 以上のtrackしか再構成できない=それより短いトラックは見えない反応モードを識別し間違える可能性がある event display の一例

4 Proton track range Proton track range( 反応モード別 ) v NEUT による MC study : 現在見えているTrack :1~5cm 程度のTrack :1cm 以下のTrack 5cm 以上飛ぶものは全体の約 56% v 現状では運動量の小さなprotonはtrackingできない

4 4 Proton track range Proton track range( 反応モード別 ) v NEUT による MC study : 現在見えているTrack :1~5cm 程度のTrack :1cm 以下のTrack 5cm 以上飛ぶものは全体の約 56% v 現状では運動量の小さなprotonはtrackingできない 1cm 程度の飛跡でも精度よく Tracking できる検出器 ScinDllaDon Fiber を用いたトラッカーの考案 v NEUT ニュートリノ反応およびそれによって生成された二次粒子の原子核内での反応をシミュレートするプログラムライブラリ今回は detector の厚さを 50cm として normalize している

5 ScinDllaDon Fiber Tracker v これまで (by 京大山本さん ) 2mm 角ファイバー (w/ 反射材 ) 64 本からなる8 8=64chのプロトタイプ読み出しはMPPC Array(3mm 3mm 受光面 64ch) - 2015 年 10 月にe+ ビームテストを実施 1cm 程度のTrack 再構成に成功十分な光量 ( 40p.e./ch) Hit efficiency(>95%) を確認しかしこのままでは実機として実現するには ch 数が多すぎる (2m 2m 50cm のサイズで約 25 万 ch!

5 5 ScinDllaDon Fiber Tracker v これまで (by 京大山本さん ) 2mm 角ファイバー (w/ 反射材 ) 64 本からなる8 8=64chのプロトタイプ読み出しはMPPC Array(3mm 3mm 受光面 64ch) 年 10 月にe+ ビームテストを実施 1cm 程度のTrack 再構成に成功十分な光量 ( 40p.e./ch) Hit efficiency(>95%) を確認しかしこのままでは実機として実現するには ch 数が多すぎる (2m 2m 50cm のサイズで約 25 万 ch!) v 安いエレキを開発する? v いかにch 数を減らすための工夫をするか? v ファイバーを細くする以外で位置精度を上げることができるか? 右図のようなファイバー配置でプロトタイプを作成以下このプロトタイプの評価をしていく fiber% % MPPC

6 6 New tracker design v ファイバーと MPPC が 1 対 1 対応ではない v 通過した荷電粒子はファイバーのなかをすすむ距離に比例してエネルギーを落とす隣り合う MPPC の光量で mean をとることによって MPPC の幅以上に細かく位置を知ることができるはず fiber% % MPPC これまでのデザインあり反射材なし 1 本 chあたりのファイバー 2 本 178p.e./MeV 光量増える見通し >95% Hit efficiency 増える見通し新しいデザイン 1 12 分解能 σ 1 2 N( あとのスライド ) わかりやすい解析むずかしい = 反応点周り自身をみるのには向いてない? ベストな使い方をよく考える必要がある

7 7 Prototype design v 2mm角ファイバー(85本) + 3mm 3mm 64ch MPPC array 実質36ch v 既存のファイバーとMPPCの大きさの都合上ファイバー間に隙間がある将来的にはMPPCの大きさを調整することで隙間をカバーできるまた今回は反射材なしで作成したのでクロストークの評価(後述)が必要

8 8 ReconstrucDon v どれくらいの精度が見込めるか? GEANT4 でシミュレーション単純に重心をとるだけではファイバー間の隙間やクラッドの影響によって正確に reconstruct できない隙間の補正が必要 1layer ぶんの長さを飛んだ時の光量 :N 0 N1 N2 2a 左右それぞれMPPCの光量:N 1, N 2 MPPC 境界からの距離 :d ファイバー間の隙間 :2a d N 1 = ( 1 2 d a)n 0 1 N 2 = ( 1 d = (1 4a) 2 d a)n (d a)n 0 N 2 N 1 N 1 + N 2 + a x = 2.25 の位置に入射したとき

9 9 ReconstrucDon d = (1 4a) 1 2 N 2 N 1 N 1 + N 2 + a σ ~ 1 4a 2 N (N 1 N 2 のとき最大 ) N1 N2 v これをもとにおおよその精度が予想できるいま MPPC の幅 = 1 a = N 84 MPPC から 50cm のところに粒子が来たと想定した場合 v x = 2 の位置に入射したとき d よってσ 0.046と予想シミュレーション上ではσ 程度になったファイバー中での相互作用の影響と考えるこの原理が実現できれば 3mmのMPPCで 165μm 程度の精度がでる可能性!

10 10 Test w/ cosmic ray setup PMT A fiber v 20 度の恒温槽のなかでテスト v 2016/02/04~02/10 までの 5025events v 光量 Hit efficiency の測定が目的 PMT B plasdc scindllator plasdc scindllator PMT A PMT B discri discri coincidence Gate + delay scindlladon fiber MPPC Array Hold EASIROC PC event display

11 11 Light yield & Hit efficiency layer layer ごとの合計光量 v MPPC アレイ 64ch のうち有効な ch は中心の 36ch Hit = MPPC の layer で合計光量が 6p.e. 以上 v layer2 と 7 で Hit があったときあいだの layer で Hit があるかで efficiency を計算 layer 2 : 99.9 layer 3 : 99.8 layer 4 : 99.8 layer 5 : 99.7 Hit efficiency 99.7% 以上! v 以前より efficiency が上がった ( 旧プロトタイプ : 98.5% ただしこのときは恒温槽に入れていない ) v 光量は十分に出ていると考えられるが定量的には beamtest で評価する予定

12 12 Cross talk v ScinDllaDon fiber の仕組み radiadon(250nm) polystyrene 励起 (300nm) 1 次波長変換 (360nm) 2 次波長変換 (450nm) 反射材がないので UV 光によるクロストークが心配 ( クロストークが起こる原因については Backup 参照 ) v UV 光の吸収長がわかればクロストーク率を概算することができる setup 2mm 角ファイバー 3 3 本上下の面を遮光横からUV ledで光をあてる (LED ファイバー: 約 20cm) UV 光はほぼまっすぐ飛んでいると考える

13 13 Cross talk result - v ch ごとの光量 300nm(p.e.) 355nm(p.e.) - - ダークカレントを引き算 1 層目 : ガウシアンピーク層目 :Poisson 分布期待値これを吸収率 A=1- exp(- αx) UV としてフィッティングすることで吸収長 1/αを概算 v 2 3 層目であまり減っていない : 吸収以外の効果? 1-exp(-2.5*x) 今回は概算なのでこのまま用いることにする A /α 0.38mm(300nm), 0.41mm(355nm) となった 1mm 進むと10% くらいしか残っていない v 実際 UV 光は4π 方向に出るので隣のファイバーに届くまでの距離は1mm 以上になるものが多い=クロストークは10% 以下の見込み v 透過率 T=exp(- αx) α: 吸収係数吸収率 A=1- exp(- αx) d[mm]

14 14 Summary & Next step v 位置精度の高いファイバートラッカーのプロトタイプを作成 v 宇宙線によるテストの結果十分な光量とefficiency99.7% 以上を確認 v クロストークは10% 以下になると予想ビームテストで評価今後ビームテストを行って位置精度の評価を行うよりよいreconstrucDonを確立するななめに飛ぶ粒子の応答をシミュレーション TDC 用いた時間分解能の測定 ch 数を減らすためのさらなる工夫の考案 v 最も効果的にこのアイデアを活かせる将来デザインを検討中!( アイデア募集中 )

15 15 Buck Up ì

16 16 Neutrino OscillaDon フレーバー固有状態は質量固有状態の混合状態としてと書ける Pontecorvo- Maki- Nakagawa- Sakata(PMNS) 行列質量固有状態の時間発展からフレーバー固有状態はとなるのでここから計算すると ν μ ν e 振動確率は以下のようになる

17 17 ND280 detectors off- axis UA1 magnet FGD P0D TPC ECAL SMRD on- axis :INGRID

18 18 CCQE/MEC T2K におけるイベント =CCQE 二体問題なのでニュートリノエネルギーを再構成できるこれと混同しやすいのが MEC(2p2h) であり二つ以上の核子が出てくると考えられているここで出てくる陽子は運動量が低いので片方を見逃すと CCQE と間違えてしまうこういった反応をファイバートラッカーで見ることができるかも?

19 19 ScinDllaDon fiber ポリスチレン + シンチレーション光をだすもの +2 種類の波長変換剤 radiadon(250nm) polystyrene 励起 (300nm) 一次波長変換 (360nm) 二次波長変換 (450nm) 2mm 角ファイバーはコア (n=1.59)+ クラッド (n=1.49) でできている

20 20 Beam test w/ e+ v 東北大学電子光理学研究センター GeV ガンマ照射室 90 MeV 電子 LINAC 1.3 GeV シンクロトロン STB( ストレッチャーブースターリング ) GeV ガンマ照射室 v ビーム - e+ - エネルギー :~600MeV - ビーム径 :~2cm v 結果 Hit efficiency > 95%, 光量 ~40p.e./hit (MPPC から 75cm の距離のところで ) AyenuaDon length >2m

21 21 MPPC array ADC counts / p.e. v MPPC アレイのゲインを恒温槽の温度を変えて測定 v 温度が上がるほど V bd が上がるのでゲインは下がる C 15 C 20 C 25 C 30 C ADC counts / p.e ある ch での温度 vs ゲイン MPPC ch Temperature[ C]

22 22 Background 粒子識別は de/dx で行うことができる pion は proton のバックグラウンドになりうる今後シミュレーションやビームテストが必要

23 23 Proton/Pion track range POT 21 events/ >"1cm proton track range pion track range >"2cm >"3cm All CCQE MEC CC 1π CC other NC total POT 21 events/ >"1cm >"5cm All CCQE MEC CC 1π CC other NC total >"5cm Momentum[Mev/c] Momentum[MeV/c] pion は運動量がちいさくてもよく飛ぶ

24 24 NEUT POT 21 events/10 proton/pion pid momentum proton Momentum[MeV/c] pion POT 21 events/ cos proton pion cosθ

25 25 NEUT # of event POT 21 events/100mev/ All CCQE MEC CC 1π CC other NC total ターゲットの厚さ 50cm のとき POT=proton on target Eν[GeV]

26 26 ReconstrucDon N1 d N2 d = (1 4a) 1 2 N 2 N 1 N 1 + N 2 + a σ ~ 1 4a 2 N (N 1 N 2 のとき ) d<a ではこの式は正しくない将来的にはギャップは cladding のぶんだけになるので大きな問題ではない v x = 2 の位置隙間をなくした場合正しい位置に再構成される v あるいは d=0 付近だけべつの方法を考える?

27 27 Hit efficiency Threshold ペデスタルをフィッティング σ=1.93 3σ で 6.p.e としてスレッショルドを決定 v なぜペデスタルが太いのか? エレキのクロストーク ( 最有力 ) ファイバー /MPPC のクロストーク

28 28 Hit efficiency Threshold エレキのクロストークと同様の原因? でたまに全 ch に信号が来ることがある宇宙線での測定でのみ確認 3~4/100 回 (1 時間に 1 回程度 ) 起こっている

29 29 Cross talk!!!!!! v クロストークの起こる原因シンチレーション光が発生したファイバーの中では波長変換されず隣のファイバーまで透過することでクロストークしてしまう

30 Cross talk - absorpdon length- 1-exp(-2.5*x) v 1,2,3 層目での光量を P1,P2,P3 とすると A 1 0.9 P1 = I 0 (1- exp(- αx)) x=1.96 P1+P2 = I 0 (1- exp(- αx)) x=1.96*2 P1+P2+P3 = I 0 (1- exp(- αx)) x=1.

30 30 Cross talk - absorpdon length- 1-exp(-2.5*x) v 1,2,3 層目での光量を P1,P2,P3 とすると A P1 = I 0 (1- exp(- αx)) x=1.96 P1+P2 = I 0 (1- exp(- αx)) x=1.96*2 P1+P2+P3 = I 0 (1- exp(- αx)) x=1.96*3 これを解けば吸収係数 αがわかるはず (from Kuraray PSF catalog) v 透過率 T=exp(- αx) α: 吸収係数吸収率 A=1- exp(- αx) d[mm] 800 ch13 Entries Mean 2070 RMS ch38 Entries Mean RMS v 2,3 層目は poisson 分布であると考えペデスタルのエントリー数から期待値を算出 ADC counts ADC counts 1 層目 2 層目

31 31 Cross talk - absorpdon length- v α の値吸収率 A=1- exp(- αx) 300nm(p.e.) 355nm(p.e.) ± ±0.24 UV ± ± ± ±0.18

T2K 実験南野彰宏 ( 京都大学 ) 他 T2Kコラボレーション平成 25 年度宇宙線研究所共同利用成果発表会 2013 年 12 月 20 日 1

T2K 実験南野彰宏 ( 京都大学 ) 他 T2Kコラボレーション平成 25 年度宇宙線研究所共同利用成果発表会 2013 年 12 月 20 日 1 T2K 実験南野彰宏 ( 京都大学 ) 他 T2Kコラボレーション平成 25 年度宇宙線研究所共同利用成果発表会 2013 年 12 月 20 日 1 T2K 実験 J- PARC でほぼ純粋な ν µμ ビームを生成生成点直後の前置検出器と 295km 離れたスーパーカミオカンデでニュートリノを観測ニュートリノ振動の精密測定 T2K 実験における振動モード 1. ν µμ ν e (ν e

T2K アップグレードに向けた高性能ファイバートラッカーの開発 ì 京都 大学平本綾綾美 第 22 回 ICEPP シンポジウム

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