STB-Ring(Stretcher-Booster Ring) 1.2 GeV Tagging System Tagging System Efficiency rate rate rate Efficiency 1 STB-Ring 2 rate Efficiency 3 Efficiency
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- ときな あきくぼ
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1 STB-Ring Tagging Efficiency Study GEANT
2 STB-Ring(Stretcher-Booster Ring) 1.2 GeV Tagging System Tagging System Efficiency rate rate rate Efficiency 1 STB-Ring 2 rate Efficiency 3 Efficiency ( ) Efficiency
3 Strangness NKS STB-Ring Tagging System Sweep Magnet Bethe-Bloch PMT Test
4 Geant construction
5 1.1 (e,e K + ) (γ K 0 ) [2] (γ,k + ) (γ,k 0 ) [3] NKS2 [2] STB-Ring [4] beam line [4] Tagging System [4] [8] Pb 3 [5] Tagging Efficiency( ) radiator off/on rate(, ) mm (PbSciFi) PbSciFi beam PMT 90 Sr V PbSciFi logic ( log ) (60ch ) PbSciFi Geant4 construction
6 , 3, 5, 10 GeV µ Pb Energy Deposit( :, : [MeV]) , 3, 5, 10 GeV µ Fiber Energy Deposit( :, : [MeV]) ( 3.11) ( 4.4) mm Fiber Energy Deposit Absorber Fiber Energy Deposit
7 1 1.1 Strangness strangness (,, ) strangness strangness Pauli [1] 1.2 NKS2 (K,π ), (π +,K + ) (e,e K + ) K + n Λ + π (1.1) π + + n Λ + K + (1.2) e + p e + Λ + K + (1.3) K model K (γ K 0 ) model γ + n Λ + K 0 (1.4) 5
8 1.1: (e,e K + ) (γ K 0 ) [2] (e,e K + ) 1.2: (γ,k + ) (γ,k 0 ) [3] (γ K 0 ) NKS2 NKS2 radiator K 6
9 1.3: NKS2 [2] Ks % π π % π,p unique Ks 0 π (γ K 0 ) K 680 π CDC (Cylindrical Drift Chamber) VDC(Vertex Drift Chamber) IH(Inner Hodoscope) OH(Outer Hodoscope) π, π + 2 (1.5) Invariant Mass Ks 0 M 2 K 0 s = ( M 2 π + + p 2 π + + M 2 π + p 2 π ) 2 (p π + + p π ) 2 (1.5) M, p K 0 s, π +, π K π 7
10 1.3 STB-Ring STB-Ring(Stretcher-Booster Ring) 1.4: STB-Ring [4] 1.5: beam line [4] Linac 150 MeV BM7 QC4 STB-Ring STB-Ring GeV beam current 50 ma BM4 QC2 BM cm Radiator Radiator 11µm beam size 1/100 beam Radiator 1.4 Tagging System Tagging System STB- 8
11 Ring 1.2 GeV 0.8 GeV 1.1 GeV 1.6: Tagging System [4] STB-Tagger 50 Finger Counter( TagF) 12 Backup Counter( TagB) BM4 BM4 magnet TagF 1 6 MeV TagB 1 TagF 4 TagF TagB Tag Maximum rate 10 7 photons/s 9
12 1.5 Sweep Magnet NKS2 e + e (photo conversion: ) NKS2 Sweep Magnet 1.3 T beam 50 cm p = 0.3Bρ (1.6) p, B, ρ [GeV/c] [T] [m] 1 GeV STB Ring Tagging System Efficiency PMT rate STB-Ring Beam Intensity Efficiency STB-Ring Beam Intensity Efficiency Efficiency 10
13 Bethe-Bloch energy energy Bethe-Bloch [5][6] de dx = 2πN arem 2 e c 2 ρ Z [ ( ) ] z 2 2me γ 2 v 2 W max ln 2β 2 (2.1) A β 2 I 2 N a : [g 1 ] r e : [cm] m e : [MeV/c 2 ] ρ : [g/cm 3 ] Z : A : β : v 1 γ : v : [m/s] c 1 β 2 W max : [MeV] I : [MeV] z : 1 v 2 z 2 ze v ρz/a Z/A 1/2 cm 1 g/cm 3 1/ρ g cm MeV 11
14 ( ) ( ) de dxρ ( ) de dxρ rad ion (E + mc2 ) Z 1600mc 2 (2.2) E 50 MeV [7] 1/E 2.2 I = I 0 e µx (2.3) I : I 0 : x : [cm] µ[cm 1 ] (K ) E e = w 0 I( w 0 I ) Z 5 X 12
15 2.1: [8] w = w ( w 0 /mc 2 )(1 cos θ) 2( w 0 /mc 2 ) cos 2 ϕ E e = w 0 (1 + w 0 /mc 2 ) 2 ( w 0 /mc 2 ) 2 cos 2 ϕ mc 2 tan ϕ = cot θ mc 2 + w 0 2 (2.4) m θ, ϕ w 0 > 2m e c MeV 1 w 0 2m e c 2 13
16 GeV 1.1 GeV 2.2: Pb 3 [5] 2.3 [4] Tagging Efficiency(ε i ) ε i = N i (CsI) N i (on) N i (off) (2.5) N i (CsI) : CsI i coincidence N i (on) : i (radiator ) N i (off) : i (radiator ) mm 3 CsI Beam intencity TagF 15 ch 80 % 90 % 14
17 2.3: Tagging Efficiency( ) radiator off/on rate(, ) TagF radiator Efficiency 100 % Beam radiator - 20 % CsI (4 m) Ring ( 4 mm Al) 3 % Efficiency reduction Efficiency Beam Intensity High rate rate PMT PMT 10 MHz rate 15
18 Tag 0.8 GeV 1.1 GeV rate MHz tag Absorber rate Absorber Pb rate I = I 0 e 1 λ pair x = I 0 e 7 9X 0 x ( ) λ pair 7 = 9X 0 (Pb : X 0 = 0.56 cm) (2.6) x = 1.0 cm I I 0 = 25.0 % x = 1.5 cm I I 0 = 12.5 % x = 2.0 cm I I 0 = 6.2 % λ pair X 0 3 cm Pb rate Absorber ( 2.4) Absorber Absorber 16
19 2.4: Absorber Pb Pb Absorber Absorber Sweep Magnet 17
20 2.5: mm 18
21 3 PMT E c 1 E c [7] E c 580 [MeV] (3.1) Z 19
22 Z X 0 [g/cm 2 ] P = 1 e % E E c X 0 E E c (Moliere) (Energy Deposit 90 % )R M R M = (21 MeV) X 0 E c (3.2) R M 3 99 % Energy Deposit Crystal(NaI ) ( ) ( ) (Pb Scintilation Fiber Calorimeter) ( PbSciFi ) 1.0 mm mm 3 20
23 図 3.1: 鉛シンチレーションファイバーカロリーメータ (PbSciFi) 図 3.2: PbSciFi を beam 照射面から見たもの であり 長さ 250 mm のライトガイドが接着されている ファイバーの 本数は 写真の水平方向に 37 本 垂直方向に 41 本 計 1477 本である 実験では beam 軸がファイバーと水平方向となる面からγ線が入射する ように設置する 鉛 プラスチック シンチレータのモリエール半径は それぞれ 1.70 cm 2.51 cm と計算される PbSciFi の beam 軸中心から の半径は 2.5 cm 程度であるので 実験では入射したγ線による電磁シャ ワーの一部が漏れ出すことが想定される しかしながら今回目的として いる Efficiency 測定の実験ではγ線の計数を測定できればよいので シャ ワーの漏れは問題にならないと考えられる 21
24 図 3.3: 使用した PMT とプラスチックシンチレータ 90 Sr 3.2 PMT Test PbFibe に接着する PMT として 浜松ホトニクス製 H B(CA3948) を用いた 直径は 1 インチで ライトガイドの末端の直径と同径である ライトガイドに接着する前の Gain Test のために mm3 のプ ラスチックシンチレータと β線源として 90 Sr を共に PMT にテープで 接着し 暗箱に入れて付加電圧を変えながらオシロスコープで信号を記 録した 図 3.4: 各付加電圧に対するオシロスコープでの波形 22
25 3.5: -2200V PMT V V K π K π π τ µ = [s] K π 23
26 また 相対論的効果により寿命が γ = E/mc2 倍伸びる 2 次宇宙線とし てのミューオンの平均エネルギーはおおよそ 3 4 GeV であることから γ ; 3 40 となり 速度もほぼ光速に近いことから崩壊せずに地表に達 することが可能となる 実際 地表に達する宇宙線の大部分はミューオ ンである このミューオンは cos2 θ の天頂角分布 (θ は地面垂直方向か らの角度) にしたがってふりそそぐことが知られている セットアップ PbSciFi とライトガイドに 反射材としてアルミナイズドマイラーを巻 き ブラックシートで遮光する また PbSciFi のライトガイドの末端に オプティカルグリスを塗り PMT をテープで固定する トリガー用プラスチックシンチレータを用意し PbSciFi の上にのせ る 図 3.8 の logic 回路を用い測定を行った 測定時間は約 20 時間である 図 3.6: PbSciFi の遮光の様子 結果 得られた電荷分布の結果を図 に示す トリガーカウンターが PbSciFi よりも大きかったため 図 3.9 ではペデ スタルが 40 ch 付近に鋭くたっている 図 3.11 はペデスタルが入らない ような領域に拡大したものである 24
27 図 3.7: 宇宙線検出の様子 図 3.11 では 160 ch 付近にピークを持ち 高エネルギー側にテールを引 く分布を確認することが出来る これが宇宙線の PbSciFi 内での Energy Deposit を表す分布であると考えられる 図 3.8: 検出時の logic 回路 25
28 3.9: 3.10: ( log ) 3.11: (60ch ) 26
29 4 4.1 Geant4 Geant4 [9] Geant4 C CERN FORTRAN Geant Geant4 Geant 4.2 construction Geant4 PbSciFi PbSciFi PbSciFi beam beam cos 2 θ 27
30 図 4.1: PbSciFi の Geant4 上での construction の天頂角分布に従うようにランダムに設定した 入射 beam として µ を 仮定し 入射時のエネルギーを 1 GeV から 10 GeV のあいだでいくつか 変えながら Pb 層と Fiber 層での Energy Deposit を出力させた 結果 図 に Pb 層 Fiber 層それぞれでの Energy Deposit の分布を 示す この結果から 1 GeV から 10 GeV のエネルギー領域では Energy Deposit の分布に大きな変化はあらわれないということがいえる 宇宙線検出結果との比較 考察 シミュレーションで得られた Fiber 層での Energy Deposit の分布と 実際に測定した Energy Deposit の分布では ほぼ同様の形の分布となっ た (図 4.5) また Bethe-Bloch の方程式より エネルギー 1GeV のミューオンが 単位長さあたりに落とすエネルギーは Pb Fiber に対してそれぞれ 28
31 4.2: 13.3[MeV/cm] 2.10[MeV/cm] PbSciFi Pb Fiber Fiber 942:785 Pb Fiber 2.60 cm 2.39 cm Energy Deposit Pb Fiber 35 MeV 5.0 MeV Energy Deposit Pb Fiber MeV MeV Sweep Magnet 1 T 29
32 4.3: 1, 3, 5, 10 GeV µ Pb Energy Deposit( :, : [MeV]) 4.4: 1, 3, 5, 10 GeV µ Fiber Energy Deposit( :, : [MeV]) 30
33 4.5: ( 4.6: 3.11) ( 4.4) 10 mm ( 4.7) 1.5 mm Absorber beam Pb ( :(C 2 H 3 Cl) n ) GeV Tag 0.8 GeV 1.1 GeV Fiber Energy Deposit 4.7: mm 31
34 4.8: Absorber Fiber Energy Deposit ( 4.9) events 0.8 GeV 1.1 GeV 0.8 GeV 1.1 GeV 0.05 GeV p 0 p 1 p 2 Energy Deposit 0.05 GeV 3.5 MeV 32
35 4.9: Fiber Energy Deposit 33
36 Absorber Fiber Energy Deposit ( 4.10) 0.8 GeV 1.1 GeV events events Absorber Absorber 10 mm Pb 15 mm Pb 20 mm Pb 15 mm Pb 3 mm 15 mm Pb 10 mm 15 mm Pb 100 mm log % MeV Absorber Pb event Entry 15 mm Pb rate 41 % rate Tag GeV /E Tag rate % Absorber 34
37 図 4.10: Absorber を導入した時の Fiber 層での Energy Deposit 35
38 5 Absorber High rate beam Pb converter Fright 36
39 [1] O.Hashimoto and H.Tamura, Spectroscopy of Lambda hypernucle, Progress in Particle and Nuclear Physics, vol57, no.2,pp ,2006 [2], Honeycomb Drift Chamber,,,2009. [3], K,,,2003. [4] H.Yamazaki, et al., The 1.2GeV photon tagging system at LNS- Tohoku, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 536,70-78,2005. [5] W.R.Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments. SpringerVerlag. [6] particle Data Group [7] K.,, - - ( ) [8] ( ) [9] [10] G.F.Knoll, 3 ( ) [11], WLS,,,2000. [12], ILD,,,
40 38
25 3 4
25 3 4 1 µ e + ν e +ν µ µ + e + +ν e + ν µ e e + TAC START STOP START veto START (2.04 ± 0.18)µs 1/2 STOP (2.09 ± 0.11)µs 1/8 G F /( c) 3 (1.21±0.09) 5 /GeV 2 (1.19±0.05) 5 /GeV 2 Weinberg θ W sin θ W
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