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1 BelleII 実験用 TOP カウンターの性能評価 ( 土 ) 名古屋大学高エネルギー物理学研究室 (N 研究室 ) 有田義宣

2 BelleII に搭載する粒子識別装置 TOP カウンター 2 BelleII 実験 もっとも識別の難しい π/k 識別 BelleⅡ 実験は Belle 実験をさらに高輝度化 (40 倍 ) し 大量の B 中間子からの稀崩壊現象を探る電子陽電子コライダー 高精度な粒子識別が必要 ( 例 )B 0 ρ 0 γ の稀崩壊現象信号 : B 0 ρ 0 γ π +π -γ 背景事象 : B 0 K * γ K+π -γ 新型粒子識別装置 TOP カウンター (Time Of Propagation counter) 識別能力の向上 運動量領域の拡大 装置のコンパクト化 Belle 粒子識別装置 Belle (ACC+TOF) 識別効率 90% ( 3GeV/c) 誤識別率 (π を K と間違える確率 ) 11% ( 3GeV/c) TOP カウンター TOP カウンター 97% ( 3GeV/c) 2% (3GeV/c) 特定領域 フレーバー物理の新展開 研究会 2012 e+e- 衝突点

3 TOP カウンターの粒子識別の原理 3 TOP カウンター = TOF 検出器の性能を兼ね備えた RICH 検出器 荷電粒子の速度 β を測定する 光伝播時間 TOP Cherenkov 光 石英輻射体 TOP カウンターのリングイメージ 検出光子 π/k 光検出器 MCP-PMT ( 時間分解能 <50ps) 飛行時間 TOF π/k Ring image(simulation) 2GeV/c,θ=90deg ΔTime (π,k) 200 ps (θc: チェレンコフ角 ) リングイメージを光子の検出時間 (t) と検出位置 (x) によって再構成 TOP カウンターのプロトタイプを用いて性能評価を行なう 特定領域 フレーバー物理の新展開 研究会 2012

4 TOP カウンターのプロトタイプ 4 Focusing Mirror PMT Quartz 接着 Quartz 接着 400mm 915mm 400mm 915mm 400mm 20mm 20mm 20mm 光検出器 MCP-PMT 4 チャンネル 波長カット <350nm 石英 ( クォーツバー ) 石英同士の接着精度 0.2mrad 表面粗さ 5A 屈折率 n = 1.47@400nm フォーカシングミラー Al 蒸着 球面状 ( 曲率半径 5m) 石英 8 本の PMT 32 チャンネル用いる ( 全体のおよそ半分 ) 検出光子数も半分特定領域 フレーバー物理の新展開 研究会 2012 Al 蒸着

5 プロトタイプの原理検証のためのビームテスト 5 T4-H6-B ビームライン (CERN,SPS) -single π+ -120GeV/c(β 1) π ビーム 4ch MCP-PMT 8 本の PMT を使用 32ch( 半分の領域 ) 20mm z Beam test セットアップ 粒子が通過したことをトリガー 粒子の通過点を取得 時間原点を作る y x 1850mm 400mm ミラー反射の経路 特定領域 フレーバー物理の新展開 研究会 2012

6 これまでの研究 : 検出光子数と時間分解能 6 TDC count (25ps/bin) TOP カウンターのリングイメージ ( 蓄積 ) CH18 の時間分布 ( 蓄積 ) σ 全チャンネル平均時間ふらつき (σ) 95±11 ps (92±11 ps MC) 1 イベントあたりの検出光子数 実験データ Mean:8.2, RMS:2.8 MC simulation Mean:7.7, RMS:2.6 PMTch (X) 検出光子数 時間 (25ps/bin) 検出光子数は平均 8.2 MC simulation はデータの形をよく再現 平均値の 5% のずれ クロストーク 時間ふらつきは 95ps±11ps 各チャンネル毎の時間ふらつきはよく理解できている 特定領域 フレーバー物理の新展開 研究会 2012

7 これまでの研究 : フォーカシングミラーによる時間分解能の改善 7 伝播するチェレンコフ光は波長ごとの群速度が異なる ( 波長分散効果 ) ため 時間分解能が悪化する ミラーを用いる事で色収差を抑制し 時間分解能を改善 過去の測定ミラーなし 波長分散効果による時間分解能の悪化 ミラー反射の経路 垂直入射 ( ミラー反射なし ) ビームテストの結果を用いて補正の原理を実験的に証明 ミラーによって波長分散効果が抑制 特定領域 フレーバー物理の新展開 研究会 2012

8 今回の研究 : 速度 β 分解能の評価 8 TDC Cherenkov リングをフィットし 速度 β を評価する 数個の光子の情報からリングイメージを再構成できるのか? TDC count (25ps/bin) 1 イベントあたりの検出光子 PMTch (X) PDF 時間分布 β = 1 β < 1 Likelihood 法による リングイメージフィッティング 1. MCsimulation から検出時間の確率密度関数 (PDF) を作成 2. β を変化させた PDF を作り, 各イベントについて lnl を計算する 3. lnl が最大になるような β を採用する TDC count (25ps/bin) PMTch (X) 特定領域 フレーバー物理の新展開 研究会 2012 N: 検出光子数 Pi:1 光子あたりの検出確率 (PDF からの値 )

9 X(mm) Phi(rad) 入射粒子のイベント選別 9 粒子の入射情報 (MWPC) で入射粒子を絞る 入射位置 角度のふらつきに対する影響を抑えるためにカットする ビームプロファイル入射位置 ビーム入射角 入射位置 < ±2mm 入射角度 θ < ±0.5mrad 良い精度の時間原点を作る タイミングカウンタ ( チェレンコフカウンタ ) 石英 Φ10mm MCP- PMT カット Z(mm) 特定領域 フレーバー物理の新展開 研究会 つのカウンタの時間差 TM1 TM2 タイミングカウンタの時間分解能を評価 時間差の RMS:42.48ps 時間精度 σ time =30ps

10 lnl(all channel) lnl(all channel) Likelihood フィットによる入射位置のアラインメント 10 θ 入射粒子 Before alignment z 2mrad/div 入射角 θ(rad) 5mm/div After alignment TDC(25ps/count) 入射位置 z(mm) 特定領域 フレーバー物理の新展開 研究会 2012

11 lnl 速度 β の評価 (1 入射粒子あたり ) 11 速度 β について評価 ( 約 24 万イベント ) 1 イベント毎に Likelihood を最大とする β を採用 同じ PDF で実データと MC simulation について評価 リングイメージの再構成ができ MC でよく再現できている データが少し 1 より大きい σβ も MC より 3% 程度大きい Data β = σβ= MC β = σβ= % の違い 良く理解できている 特定領域 フレーバー物理の新展開 研究会 2012

12 β 分解能の検出光子数依存性 12 Nhit=1 Nhit=2 Nhit=3 Nhit=4 Nhit=5 Nhit=6 Nhit=7 Nhit=8 Nhit=9 特定領域 フレーバー物理の新展開 研究会 2012

13 β 分解能の検出光子数依存性 13 検出光子数分布 フィットに用いた光子数 検出光子数 光子数が増加するほど β 分解能はよくなる 高い光子数のときには悪化していく 二次粒子起源のチェレンコフ光 特に頻度の高い 4 12 検出光子のあたりで β 分解能は良く理解できている 特定領域 フレーバー物理の新展開 研究会 2012

14 β の評価に影響する要因 14 e / hadron 入射粒子 - MC δ/h あり - MC δ/h なし 二次 Cherenkov 光 δ-ray( 電子 ) やハドロン反応による二次的な Cherenkov 光 δ-ray& ハドロン反応によって 検出光子数の高い部分での β 分解能の悪化 β の中心値 /σ についての微妙な違い 時間分布の不一致 時間のテール分布 Data MC 検出光子数 悪化 検出光子の時間分布 その他の要因 アラインメント? 屈折率の波長依存性? 特定領域 フレーバー物理の新展開 研究会 2012 時間 (25ps/count)

15 まとめ 15 Belle II に搭載する新型粒子識別装置 TOP カウンターの開発を行なっている CERN の π ビームを用いて原理検証を行なった 特に今回は チェレンコフ光子の情報からイベント毎にリングイメージフィッティングを行ない 速度 β 分解能の評価を行なった β 分解能の評価を行なうためにイベントの選別をし時間原点の精度を評価 粒子の入射位置 ±2mm 入射角度 ±0.5mrad 時間原点を与えるタイミングカウンタの分布から同期したタイミングのものを選別 タイミングカウンタの時間分解能 =30ps と評価 粒子の入射位置 角度についてデータに対してフィッティングしてアラインメントした β 分解能について評価した データの σβ= で MC とは 3% 程度の範囲で一致 TOP カウンターについて光子情報からリングイメージを再構成し β を求める事ができるという事を実証した 特定領域 フレーバー物理の新展開 研究会 2012

16 16 Backup

17 特定領域 フレーバー物理の新展開 研究会

18 波長分散効果による時間分解能の悪化 18 TOP カウンターの時間分解能を制限する要素 波長分散効果 チェレンコフ角の違い : 屈折率の波長依存性による効果 350nm~800nm y z 光伝播時の群速度の違い 色 ( 波長 ) が混ざると Δt = 53ps/m の時間ふらつき 時間分解能の大きな悪化を招く 特定領域 フレーバー物理の新展開 研究会 /14

19 波長分散効果を抑えるアイデア : フォーカシング 19 ある PMT での TOP カウンターで検出される光子の時間分布 y 時間分布の太りが時間分解能に相当 σ~150ps σ~50ps y 方向の PMT チャンネルで 波長を分解すれば時間差は小さくなる チェレンコフ光の波長依存性 特定領域 フレーバー物理の新展開 研究会 /14

20 20 波長分散効果を抑えるアイデア : フォーカシング PMT のチャンネルで y 方向を検出 フォーカシングミラーで波長によるチェレンコフ角の違いを利用し y 方向に強く波長分解させる シミュレーションでは時間分解能が改善すると予想 荷電ビームを用いて原理の検証を行なう 特定領域 フレーバー物理の新展開 研究会 2011 y σ80ps σ80ps MCP-PMT 7/14

21 波長 (nm) 4ch 3ch 2ch 1ch simulation 結果 : フォーカシングによる色分解 波長分解の動き 時間 (25ps/bin) 4ch 3ch 2ch 1ch 4ch 3ch 2ch 1ch Simulation Data 1ch 時間分布 (Simulation) 時間 (25ps/bin) 21 ピークの時間移動を確認 フォーカシングによる色分解を確認 特定領域 フレーバー物理の新展開 研究会 /14

22 反射経路 22 n=3 n=2 n=1 n=0 n=-1 n=-2 n=-3 n=3 n=2 n=1 n=0 n=-1 n=-2 n=-3 ミラーあり n=0 n=0 n=±1 n=±2 n=±3 時間 (25ps/bin) 特定領域 フレーバー物理の新展開 研究会 n=±1 n=±3 時間 (25ps/bin) 17/13

23 23

24 24

25 25

26 26

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物性基礎 水素様原子 水素原子 水素様原子 エネルギー固有値 波動関数 主量子数 角運動量 方位量子数 磁気量子数 原子核 + 電子 個 F p F = V = 水素様原子 古典力学 水素様原子 量子力学 角運動量 L p F p L 運動方程式 d dt p = d d d p p = p + dt dt dt = p p = d dt L = 角運動量の保存則 ポテンシャルエネルギー V = 4πε =

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