K+飛崩壊実験のための ガンマ線検出器の研究
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- ありあ つちかね
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1 K 飛崩壊実験のためのガンマ線検出器の研究 境界科学専攻 計測物理 原幸弘 1
2 s u K W ν e u, c, t,μ,τ K π νν W ν d u π 崩壊 K( us) π ( ud) と変化する過程 td 直接に s d という遷移は禁止 u, c, t 中間状態でのいずれかの状態をとる高次の過程 分岐比からがわかる t d q ( e ) 3 1 q ( e ) 3 u d 遷移確率 td c s t b 11 標準理論 分岐比 (8.0 ± 1.1) 実験による値 分岐比 ( ) 分岐比の精度向上 td が精度よく求まる
3 K π νν 本研究の目的 飛崩壊測定方法の研究 東海村の 50Ge 陽子加速器による 10Ge/c K 中間子ビーム K π νν 0 K π π 100 事象程度の崩壊を観測 K π νν 主要バックグラウンド崩壊を崩壊以下のレベルまで排除 (10 事象程度以下 ) 飛崩壊測定用ガンマ線検出器の開発 研究 ガンマ線検出器用プラスチックシンチレータの開発 性能評価シンチレータ比較試験 ( 標準的シンチレータに対する光量 ) 光輸送計算 ( 観測光量を説明 ) シミュレーション シミュレーション 実験シミュレーション 3
4 K π νν 生成粒子中で π 高運動量 K ビームの崩壊 飛崩壊の測定 のみが観測 生成粒子に他の粒子を含む事象は排除 K μ ν (63%) 0 K π π (1%) γγ 生成粒子は前方に集中 生成粒子の方向を限定 大強度の K ビームにより 観測事象を増加 バックグラウンドのガンマ線が高エネルギーで検出容易 CM Lab ローレンツ変換 4
5 測定装置の構成 サンプリング型ガンマ線検出器 CsI ガンマ線検出器 電磁石荷電粒子スペクトロメータ (K ) K 10m π ν チェレンコフ検出器 (K ) π が検出される事象を算定 170 事象 / 年間 50cm 荷電粒子チェレンコフ検出器 (π ) スペクトロメータ (π ) ν ミューオンフィルタ 5
6 ガンマ線検出器 ガンマ線は物質中で電磁シャワーを引き起こす γ 0 1X 0 X 0 電磁シャワーにより生じた電子 陽電子は e 物質中で電離損失と制動輻射によりエネルギーを失う 電離損失のエネルギーは物質に与えられる 3X 0 10X 0 程度まででシャワーは終息 輻射距離 X 0 : 鉛 :0.56cm プラシン :4.4cm CsI:1.85cm 6
7 CsI と鉛 シンチレータ 特徴 エネルギー 吸収 CsI 鉛 シンチレータ 100% 一部 ( サンプリング ) 応答 低速 高速 価格 高価 安価 ガンマ線に対し不感となる場合 貫通 ( パンチスルー ) 効果 検出器と相互作用せず突き抜けるサンプリング効果検出器の不感層のみにエネルギー付与 光核反応 核との相互作用により γ が中性子に変化 鉛 プラスチックシンチレータの積層 γ 7
8 0 K π π サンプリング型ガンマ線検出器 非検出事象 CsI ガンマ線検出器 K 0 π π γ π が検出された場合にガンマ線を検出しそこなう事象を算定 つのガンマ線をいずれも見落とすのは 10 8 回に 1 回程度 γ 磁石荷電粒子スペクトロメータ (π ) 厚さ計算 突き抜け γ エネルギー 光核反応 サンプリング 8
9 m バレル部の形状 60cm バレル部の読み出し 16 分割 60cm 鉛 1mm シンチレータ 5mm を 100 層で 1 ユニット 波長変換ファイバー 50cm 波長変換ファイバーで読み出し 光電子増倍管 1 ユニットで 50kg 程度の重量 10m のバレルでは 66t に達する 重量の 31% がシンチレータ (0t) 9
10 波長変換ファイバー クラレ社カタログより n=1.4 n=1.49 発光波長 n=1.57 吸収波長 10
11 射出成型シンチレータ プレス 10t( 今回のサンプル ) ポリマーペレット 金型 上下に分かれる 成形方法成形方法の概要シンチレータとしての性質 キャスト成形 ( 標準的なメーカー製 ) 射出成形 型内でモノマーを重合して成形 工程は比較的低温( 重合熱程度 ) 仕上がりは平坦な形状 ポリマーのペレットを加熱流動化(00 程度 ) 型に流し込んで成形 型の設計に応じた自由な形状 工程が自動化されており 大量生産に適する 光量 透明度に優れる 機械加工が必要 光量 透明度やや低 11
12 シンチレータ比較試験 1.5mm 10mm 1.1mm 5mm 15cm 溝に波長変換ファイバー (1mmφ) を通す 射出 BC cm 発光ピーク 416nm 43nm 母材 MS00 (PMMA 10% PS 90%) PT 蛍光剤および波長変換剤 p- ターフェニル 1.5% POPOP 0.05% 射出成型により 溝付き形状に製作したシンチレータと標準的なキャスト成形シンチレータの BC400(Saint- Gobain 社 ) を機械加工で同形状にしたものとを比較 1
13 比較試験セットアップ Sr-90β 線源を使用 8φ コリメータ (1mm 厚真鍮 ) でコリメート TRIGGER COUNTER PMT H (HAMAMATSU) READOUT PMT 直接読み出し β-ray COLLIMATOR Sr-90 SOURCE FIBER PSFY-11 SJ (KURARAY) SCINTILLATOR REFLECTOR SILICON GREASE LUMIRROR E60L (TORAY) OKEN66A (OKEN) READOUT PMT ファイバー読み出し β-ray TRIGGER COUNTER COLLIMATOR Sr-90 SOURCE FIBER SCINTILLATOR 13
14 直接読み出し BC400 平行 射出 平行 溝と平行方向 BC400 垂直 射出 垂直 光電子増倍管 : 平行 : 垂直 溝と垂直方向 61.6±.7% 光電子増倍管 14
15 ファイバー読み出し ストレート方式 ストレート方式 光電子増倍管 31.5±1.5pe/Me ループ方式 光電子増倍管 ループ方式 光量比 6.8±.% ループはストレートの 1.7 倍 55.0±.6pe/Me 15
16 光輸送計算 I=I 0 exp(-x/λ) 裸のシンチレータ 透過 ( 屈折 ) 荷電粒子 ファイバー吸収 シンチレータ吸収 I=I 0 exp(-x/λ) 反射材付きシンチレータ 0~1 一様乱数と反射率 光子発生 反射 円柱光源全方位等確率 全反射 反射材吸収 全反射 反射材による反射 光子発生 16
17 光輸送計算のパラメータ 各物質の屈折率 : シンチレータ 1.57 ファイバーコア 1.59 グリース 1.4 空気 1.00 ファイバーコアでの光子吸収率 : 95%(1mm) 反射材の反射率 : 97% シンチレータ内吸収までの平均距離 : 50cm 全反射に効率を導入 表面の傷等 17
18 棒型シンチレータの光輸送と発光量 PMT H 接続面はグリース OKEN66A Sr90β 線 5mmφ コリメータ ( 真鍮 ) 射出成形シンチレータ 8mm 5mm 150mm 実測データ 光輸送計算 傾きが一致する反射効率を算定 96.4% に決定 100% 96.4% 95% 90% 全反射効率 N N em pe = / ε ε 発生光子 ac PMT 5300±300photons/Me 18
19 ファイバー読み出しの集光効率 反射材付 裸のそれぞれを再現 56% を捕獲 : 反射材 : 裸曲線は シミュレーション 反射材付ストレート配置で 31.0±1.5pe/Me N = N pe em 集光 ε ε ε Fiber =3.6±.pe/Me PMT 19
20 ガンマ線検出器の試作 試作した検出器 接着およびファイバー反射材により 更に集光効率を向上 40.1±1.9pe/Me 0
21 K π νν 結論 飛崩壊測定方法の研究 K π νν 100 事象以上の観測が期待される ガンマ線検出器は 10-8 程度の排除効率 飛崩壊測定用ガンマ線検出器の開発 研究 射出成型シンチレータの発光量は BC400の60% 程度ファイバー読み出しで40pe/Me 程度を観測光輸送モデルによりファイバー読み出しを再現 1
22
23 3 小林 益川行列の変化は小林 益川行列で表現される = b s d b s d tb ts td cb cs cd ub us ud d u s c b t ) 3 1 ( ) 3 ( q q 小林 益川行列 1 ) (1 / 1 ) ( / 1 3 λ η ρ λ λ λ λ η ρ λ λ λ A i A A i A tb ts td cb cs cd ub us ud 小林 益川行列の Wolfenstein パラメータによる表現 4 つのパラメータにより表せる の複素行列であることにより 標準理論で CP 不変性の破れが説明される η ρ λ,,, A 0 η ) 3 q( ) 3 1 q(
24 ( 0,0) ( ρ,η ) ud ユニタリティ三角形 小林 益川行列のユニタリ性から (1 λ * ub 3 ) Aλ ( ρ 0 π 0 νν K L td 3 Aλ K 0 π 0 L νν 測定と * * cdcb tdtb iη) A 3 λ 1 λ ( 1,0 ) td = 0 = 0 1 として整理 td ρ iη 1 3 Aλ (Wolfenstein パラメータ ) ( λ = 0.) 複素平面上の三角形 K π νν td は 崩壊の分岐比測定により決定 K π νν 測定 KとBでの ( ρ,η) また B 崩壊測定から 独立に標準理論の検証 を比較 4
25 チェレンコフ検出器 5
26 K π νν 飛崩壊の観測 π 運動量は重心系で 3 次関数状 max 7Me/c ローレンツ変換 π 運動量 ( 実験室系 ) K 運動量の 10Ge/c 付近まで広く分布 崩壊領域内で 1.4% の K が崩壊 π 運動方向 0.08rad(14 度 ) 以内に放出 荷電粒子スペクトロメータへの π 入射位置座標 崩壊により生じるπ のうち 57.% を検出 6
27 期待値の算定 10 7 [ K 崩壊数検出数 / パルス ] K π 10 発生 K 数崩壊 K 数 7 [ パルス/ 年 ] 更にチェレンコフの効率 0.5 ガンマ線検出器の不感時間による効率 0.5とし の分岐比 とすると K π νν 10 7 = 事象を超える K π νν 崩壊の観測が期待できる 7
28 K π π 0 崩壊によるガンマ線 γ エネルギー分布 γ 運動方向分布 min 0.5Me max 9.1Ge 60 以内に 99.9% が集中 γ エネルギー相関 事象中のガンマ線不感率 パンチスルー サンプリング or 光核反応 片方の γ が 1Ge 以下の場合は もう一方が 1Ge 以上 γとも不感となる場合 8 は0 事象
29 9 浜松ホトニクスカタログより
30 30 Saint-Gobain カタログより
31 31
32 3
33 33
1 12 CP 12.1 SU(2) U(1) U(1) W ±,Z [ ] [ ] [ ] u c t d s b [ ] [ ] [ ] ν e ν µ ν τ e µ τ (12.1a) (12.1b) u d u d +W u s +W s u (udd) (Λ = uds)
1 1 CP 1.1 SU() U(1) U(1) W ±,Z 1 [ ] [ ] [ ] u c t d s b [ ] [ ] [ ] ν e ν µ ν τ e µ τ (1.1a) (1.1b) u d u d +W u s +W s u (udd) (Λ = uds) n + e + ν e d u +W u + e + ν e (1.a) Λ + e + ν e s u +W u + e
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