LEPS

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1 LEPS

2

3 LEPS2 SPring-8 γ 3 GeV γ 10 Mcps LEPS LEPS Λ(1405) LEPS2 LEPS2 Silicon Strip Detector (SSD) SSD 100 µm 512 ch 6 cm 3 x y 2 SSD ch APV25-s1 APVDAQ VME APV25-s1 SSD 128 ch 1 repeater APVDAQ APVDAQ 1 4 Flash ADC FPGA FIFO LEPS2 3 khz 15 µs SSD 15 µs SSD APVDAQ FPGA ADC LEPS SSD FPGA APVDAQ 99 % LEPS2 FPGA

4 SPring LEPS LEPS LEPS LEPS Λ(1405) LEPS2 SSD SSD APV25-s APV25-s APV25-s APVDAQ FPGA LEPS2 SSD APV25-s SSD FIFO

5 A APVDAQ Master Slave 49 B 50 C 63 1

6 1.1 SPring LEPS LEPS2 DAQ LEPS CLAS LEPS CLAS γp K Λ(1405) πkπσ invariant mass GeV/c K SSD SSD discrete detector SSD APV25-s APV25-s APVDAQ FPGA FIFO

7 peaking time ADC ADC high low SSD SSD SSD ns ns ns ns ns ns APVDAQ A A B.150 ns B.2100 ns B.3200 ns B.450 ns B.5100 ns B.6200 ns C.150 ns C.2100 ns C.3200 ns

8 C.450 ns C.5100 ns C.6200 ns

9 4.1 1 ADC γ 10 Mcps γ 10 Mcps Mcps SSD peaking time peaking time B B C C C.3 [%]

10 SPring-8 SPring-8 ( 1.1) Super Photon ring-8 GeV 1436 m 8 GeV/c 62 LEPS BL33LEP LEPS2 BL31LEP [1] ( 1.2) 1.1 SPring-8[1] 1.2 [1] 1

11 1.2 LEPS LEPS2 LEPS Laser-Electron Photon at SPring-8 γ LEPS2 LEPS γ LEPS2 LEPS2 γ γ E γ = E γ (1 β cos θ 1 ) (1 β cos θ 2 ) + E γ E e (1 cos(θ 1 θ 2 )) E e β E γ θ 1 γ θ 2 E γ (1.1) 1.3 LEPS2 γ 128 W 355 nm 1.5 GeV 2.4 GeV 10 7 cps 16 W 266 nm 1.5 GeV 2.9 GeV 10 6 cps γ γ LEPS2 30 m LEPS2 LEPS 2

12 1.2 LEPS2 について 1 序論 ビームラインと比べて 電子ビームの水平方向の発散が非常に小さく 衝突点から 150 m 下流でもビームサ イズは ± 6 mm である ビームの発散が少ないために 蓄積リング棟の外で実験することが可能になり 検 出器の大型化が実現できる LEPS2 のソレノイド検出器 蓄積リング棟外に LEPS2 実験棟を建設したことによって 大立体角を覆えるスペクトロメータを設置す ることが可能となった ソレノイド電磁石はアメリカのブルックヘブン国立研究所で使用されていたもので 長さ 2.22 m 内径 2.69 m 中心磁場は 1T である (図 1.5) ソレノイド電磁石の中にはターゲットや荷電 粒子の飛跡検出を行う Silicon Strip Detector (SSD) Drift Chamber (DC) Time Projection Chamber (TPC) 粒子識別に用いる Resistive Plate Chamber (RPC) γ 線の検出とエネルギー測定を行う Barrel γ カウンターが設置される (図 1.4) それぞれの検出器のデータはイベント毎に recorder に記録される (図 1.6) 全ての検出器のデータが転送 されるまでの時間は dead time となってしまう TPC はドリフト時間があるために 読み出しに 15 µs か かる dead time を増やさないためには SSD の読み出し時間を 15 µs 以内に収めることが要求される 図 1.4 LEPS2 スペクトロメータ 図 ソレノイド電磁石

13 1.3 LEPS LEPS2 DAQ 1.3 LEPS QCD Diakonov Petrov Polyakov 4 1 [2] uudd s 1/ MeV/c 2 15 MeV/c LEPS γn K + K n Θ + [3] Θ + Θ LEPS Θ + ( 1.7)[4] Θ + LEPS γ CLAS Θ + Θ + ( 1.8)[5] LEPS CLAS 4

14 1.3 LEPS LEPS CLAS γk missing mass [4] pk missing mass ( ) 2006 ( ) [5] LEPS ( 1.9) K CLAS ( 1.10) K Θ + K LEPS2 LEPS CLAS LEPS LEPS2 LEPS2 SSD LEPS LEPS2 1.9 LEPS 1.10 CLAS 5

15 1.3 LEPS Λ(1405) Λ(1405) u d s J P = 1/2 Λ(1405) Λ(1405) Λ(1520) Λ(1405) 3 KN Λ(1405) 2 (z 1 = i MeV) πσ (z 2 = i MeV) KN [6] π p K 0 πσ γ (γp K Λ(1405) πkπσ)[7] γ K K ( 1.11) Λ(1405) Σ(1385) 2 Λ(1405) Σ(1385) 2 I = 0 Λ(1405) π 0 Σ 0 I = 1 Σ(1385) π 0 Σ 0 π ± Σ π ± Σ Σ(1385) 2.5 GeV γ invariant mass 1.12 γp K Λ(1405) t K SSD 1.11 γp K Λ(1405) πkπσ [7] 6

16 1.4 LEPS2 SSD invariant mass [7] 1.4 LEPS2 SSD LEPS2 SSD SSD SSD ( 2.2 ) LEPS2 SSD 100 µm SSD 1.13 SSD SSD LEPS2 SSD 100 µm ch SSD 3 ( 1.14) 1 cm SSD SSD SSD 2 SSD 99% LEPS2 10 MHz γ 15 cm g/mol g/cm 3 LEPS2 γ γd 3 mb (Particle Data Group[8] ) 3 khz TPC 15 µs 2 1 ADC SSD 7

17 1.4 LEPS2 SSD GeV/c K SSD SSD 8

18 1.4 LEPS2 SSD 1 1 SSD SSD SSD 1.15 SSD ( mm) 9

19 2 2 [9] 10 1 µm 2.1 ( 2.1) K 1.1 ev 0.7 ev 2.1 [9] 10

20 2.1 2 ( 2.2) n 3 1 p n p (10 3 atm/cm 3 ) n + p [9] (a) 5 (b) 3 n p n p n p 75 µm ( 2.3) V d ϵ ρ µ e d 2ϵρµ e V (2.1) 11

21 [9] continuous detector 2 discrete detector 2.4 discrete detector [9] discrete detector ( 2.4) discrete detector continuous detector 12

22 h x0+ h 2 σ 2 (x x 0 ) 2 = x 0 h h 2 ( ) 2 h = (2.2) 12 SSD discrete detector 1 ( ) 1 SSD x y Double-sided SSD (DSSD) DSSD 2 13

23 3 SSD 3 SSD SSD LEPS2 1 SSD 3.1 LEPS2 SSD 3.1 APV25-s1 repeater APVDAQ VME repeater APVDAQ repeater CAT5 CAT repeater [12] 3.2 APV25-s APV25-s1 SSD LEPS2 LHC CMS APV25-s1 [10] 3.2 APV25-s1 3.3 APV25-s1 14

24 3.2 APV25-s1 3 SSD DSSD CR-RC 50 ns 30 ns 200 ns APVDAQ MHz (25 ns ) APVDAQ 192 cell 160 cell 32 cell / c n ( n ) ( n c = 32 (n mod 4) + 8 int 31 int 4 16) (3.1) 3.2 SSD 15

25 3.2 APV25-s1 3 SSD 3.3 APV25-s1 [11] APV25-s1 APV25-s1 ( 3.4) tick marks 35 clock 1 bit header 3 bit high header tick marks address 8 bit error bit 1 bit high analog data 128 APV25-s ( 30 ) 16

26 3.3 APVDAQ 3 SSD 3.4 APV25-s1 [11] APV25-s1 3.3 APVDAQ APV25-s1 HEPHY (Vienna Institute of High Energy Physics) APVDAQ VME ( 3.5) APVDAQ Flash ADC FPGA FIFO APVDAQ 1 4 (4 128 ch) 1 master slave master slave 2 P2 17

27 3.4 3 SSD 3.5 APVDAQ 3.4 LEPS2 10 MHz γ 3 khz TPC 15 µs 15 µs 3.6 APV25-s1 APVDAQ µs repeater APVDAQ APVDAQ Flash ADC FIFO FIFO 25 ns APV25-s1 APVDAQ FIFO 25 ns CPU 25 ns FIFO 2 µs 2 APV25-s1 APVDAQ FIFO 18

28 3.4 3 SSD µs SSD ADC 128 ch 12 bit 140 word tick marks (180 word ) 3.2 = (3.2) APVDAQ FPGA 40 MHz FIFO 19

29 3.4 3 SSD 1 word 25 ns word 3 25 ns 600 word = 15 µs 15 µs peaking time FPGA ADC Flash ADC 10 FPGA 2 20 FIFO ( 3.8) 3.8 FPGA FPGA 1 FIFO ADC ( 3.9) header ADC pedestal box DAQ ADC suppression box 20

30 3.4 3 SSD 3.9 suppression box 1 FIFO ( 3.10) ADC chipa FIFO 3 temp FIFO chipa temp FIFO chipb chipc chipd FIFO 1 FIFO 100 ns FIFO FPGA 3.10 FIFO 21

31 4 4 SSD - SSD SSD LEPS2 LEPS LEPS2 LEPS2 LEPS2 SSD 1 LEPS LEPS2 LEPS SSD LEPS SSD J-PARC E03 SSD 4.1 SSD / V V /2 60 V 60 V 22

32 4.2 LEPS2 SSD LEPS2 SSD LEPS2 SSD LEPS mm 8 mm 4 mm 2 64 mm 2 ( 4.2) 400 khz cm 23

33 4.2 LEPS2 SSD

34 4.2 LEPS2 実験における SSD のストリップの平均ヒット数の見積もり 図 4.4 ビーム中心合わせの様子 25 4 性能評価実験

35 4.2 LEPS2 SSD mm khz

36 4.2 LEPS2 SSD

37 4.2 LEPS2 SSD APV25-s1 APV25-s1 APV25-s1 peaking time APV25-s1 a b c f(x) = a x c e x c b (4.1) b peaking time : 50 ns 28

38 4.2 LEPS2 SSD 4 peaking time : 100 ns peaking time : 200 ns 4.9 peaking time 29

39 4.2 LEPS2 SSD 4 ADC 1 ADC 1 ADC ADC ADC peaking time 50 ns 100 ns 200 ns % 97.6% 99.6% % 98.2% 99.6% SSD LEPS2 peaking time SSD γ 64 mm khz 10 MHz ( 4.11) SSD 1.14 SSD 7.5 mm 5 mm 7.5 mm 12.5 mm 10 mm ( 4.10) 10 MHz

40 4.2 LEPS2 SSD 4 [mm] [cps/mm 2 ] γ 10 Mcps 4.2 ( ) ( ) SSD1 25 mm SSD 1 89 kcps γ 1 mm LEPS2 15 cm ( 4.12) ( 4.3) SSD kcps ( 4.4) [mm] [cps/mm 2 ] γ 10 Mcps 31

41 4.2 LEPS2 SSD Mcps SSD 1 89 kcps 1.1 kcps 90.1 kcps peaking time 4.9 rms 3 ch 3 σ 10 ch 10 ch peaking time peaking time peaking time 50 ns 100 ns 200 ns 200 ns 520 ns 1100 ns peaking time 50 ns 200 ns 200 ns SSD (SSD 1 ) ( ) peaking time 4.6 peaking time SSD Mcps 4.6 peaking time peaking time 50 ns 100 ns 200 ns

42 SSD ADC 4.13 high (3.2.2 ) ADC ADC ADC 2 ( 4.15) high low ( 4.17) ( )

43 ADC ADC 34

44 high 4.17 low

45

46 4.3 4 ADC ch0 vs ch1 ch0 vs ch2 ch1 vs ch ch0 vs ch16 ch0 vs ch32 ch0 vs ch ch0 vs ch10 ch0 vs ch20 ch10 vs ch

47 FPGA peaking time peaking time LEPS2 SSD SSD ( 3.2) LEPS TOF SSD 6 ( 4.24) x y SSD 6 x y 3 ( 4.25) 4.24 SSD 38

48 SSD SSD x1 y1 x2 y2 x3 y3 ( 4.26) SSD 1.5 cm 1.5 cm Hz 40 Hz run rms + 3 σ run + 3 σ SSD B 39

49 SSD

50 4.4 4 : peaking time 50 ns x1 x ns ns 41

51 ns SSD 1. SSD (x1 x3 y1 y3) 3. SSD (x2 y2) 4. x1 3 σ

52 SSD 1 SSD (x1 y ) 3 σ 3 2 SSD σ = 2 (4.2) peaking time SSD % LEPS ns 43

53 4.5 FIFO ns ns 4.5 FIFO APVDAQ 1 44

54 4.5 FIFO APVDAQ 1 word 1 word 2 µs 1 FIFO 10 µs 1 VME - CPU 1 APVDAQ 1 word 14 µs ( 3.6) 1 VME - CPU 1 APVDAQ 1 word 15 µs 1 word 2 µs 2 word FIFO 15 µs 1 VME - CPU APVDAQ FIFO 1 1 VME - CPU APVDAQ 1 VME - CPU APVDAQ 45

55 5 5 LEPS2 SSD 100 µm 99 % 15 µs SSD APVDAQ FPGA SSD 99% FPGA 1 VME - CPU 1 APVDAQ 1 word 15 µs LEPS2 1 word 2 µs 46

56 5 2 LEPS J-PARC E03 SSD E03 J-PARC SSD SSD SSD 47

57 [1] SPring-8 Web Site [2] D.Diakonov, V.Petrov, M.Polykov, Z.Phys.A. 359 (1997) 305 [3] T.Nakano, et al., Phys.Rev.Lett, 91 (2003) [4] T.Nakano, et al., Phys.Rev. C 79 (2009) [5] B.McKinnon, et. al., Phys.Rev.Lett, 96 (2006) [6] D.Jido, et al., Nucl.Phys. A 725 (2003) 181 [7] T. Hyodo, A. Hosaka, M. J. Vicente Vacas and E. Oset, Phys.Lett. B 593 (2004) 75 [8] Particle Data Group, Atomic & Nuclear Properties [9] W.R.Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments [10] L.Jones,APV25-S1 User GuideVersion 2.2, (RAL Microelectronics Design Group 2001) [11] C.Irmler, Upgrade Studies for the Belle Silicon Vertex Detector,diploma thesis, (Vienna University of Technology,2008) [12] HEPHY, APVDAQ APV25 Readout System Reference Manual,(Institute of High Energy Physics) 48

58 A APVDAQ MASTER SLAVE A APVDAQ Master Slave A.1 [12] A.2 [12] 49

59 B B B.1 50 ns 100 ns 200 ns x x x y y y B.2 50 ns 100 ns 200 ns x x x y y y

60 B x1 x1 x2 x2 x3 x3 51

61 B y1 y1 y2 y2 y3 B.1 50 ns y3 52

62 B x1 x1 x2 x2 x3 x3 53

63 B y1 y1 y2 y2 y3 B ns y3 54

64 B x1 x1 x2 x2 x3 x3 55

65 B y1 y1 y2 y2 y3 B ns y3 56

66 B x1 x1 x2 x2 x3 x3 57

67 B y1 y1 y2 y2 y3 B.4 50 ns y3 58

68 B x1 x1 x2 x2 x3 x3 59

69 B y1 y1 y2 y2 y3 B ns y3 60

70 B x1 x1 x2 x2 x3 x3 61

71 B y1 y1 y2 y2 y3 B ns y3 62

72 C C C.1 50 ns x x x y y y ns x x x y y y ns x x x y y y

73 C C.2 50 ns x x x y y y ns x x x y y y ns x x x y y y

74 C 4 x1 x2 x3 y1 y2 C.1 y3 50 ns 4 65

75 C x1 x2 x3 y1 y2 C.2 y3 100 ns 4 66

76 C x1 x2 x3 y1 y2 C.3 y3 200 ns 4 67

77 C x1 x2 x3 y1 y2 C.4 y3 50 ns 4 68

78 C x1 x2 x3 y1 y2 C.5 y3 100 ns 4 69

79 C x1 x2 x3 y1 y2 C.6 y3 200 ns 4 70

80 C C.3 [%] x1 x2 x3 y1 y2 y3 50 ns ± ± ± ± ± ± ns ± ± ± ± ± ± ns ± ± ± ± ± ± 0.08 x1 x2 x3 y1 y2 y3 50 ns ± ± ± ± ± ± ns ± ± ± ± ± ± ns ± ± ± ± ± ±

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