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 1 2016.03.01 京都 大学平本綾綾美 (M1) @ 第 22 回 ICEPP シンポジウム
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 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 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!) 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 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 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 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 2 0 + 2(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 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 = 0.037 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 0.055 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 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 Light yield & Hit efficiency layer 1 2 3 4 5 6 7 8 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 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 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 139 0.63 0.68 108 0.63 0.46-2 3 層目 :Poisson 分布期待値これを 吸収率 A=1- exp(- αx) UV 113 0.39 0.43 93 0.83 0.35 としてフィッティングすることで吸収長 1/αを概算 90 0.39 0.53 81 0.48 0.24 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 1 0.9 1/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 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 v 透過率 T=exp(- αx) α: 吸収係数 吸収率 A=1- exp(- αx) 0.1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 d[mm]
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 Buck Up ì
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 ND280 detectors off- axis UA1 magnet FGD P0D TPC ECAL SMRD on- axis :INGRID
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 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 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 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 45 40 35 30 25 20 15 10 5 10 C 15 C 20 C 25 C 30 C ADC counts / p.e. 40 35 30 25 20 15 10 5 ある ch での温度 vs ゲイン 0 0 10 20 30 40 50 60 MPPC ch 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Temperature[ C]
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 Proton/Pion track range POT 21 events/10 16 14 12 10 3 10 >"1cm proton track range pion track range >"2cm >"3cm All CCQE MEC CC 1π CC other NC total POT 21 events/10 8000 7000 6000 5000 >"1cm >"5cm All CCQE MEC CC 1π CC other NC total 8 6 4 2 >"5cm 4000 3000 2000 1000 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Momentum[Mev/c] 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Momentum[MeV/c] pion は運動量がちいさくてもよく飛ぶ
24 NEUT POT 21 events/10 proton/pion pid 16 14 12 10 8 6 4 2 3 10 momentum proton 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Momentum[MeV/c] pion POT 21 events/10 3 10 24 22 20 18 16 cos proton pion 14 12 10 8 6 4 2 0-1 -0.8-0.6-0.4-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 cosθ
25 NEUT # of event POT 21 events/100mev/10 50 40 30 3 10 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 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Eν[GeV]
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 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 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 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=1.96*3 これを解けば吸収係数 αがわかるはず (from Kuraray PSF catalog) 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 v 透過率 T=exp(- αx) α: 吸収係数 吸収率 A=1- exp(- αx) 0.2 0.1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 d[mm] 800 ch13 Entries 500000 Mean 2070 RMS 267.2 6000 ch38 Entries 500000 Mean 855.4 RMS 110.8 v 2,3 層目は poisson 分布であると考え 700 600 500 400 300 5000 4000 3000 2000 ペデスタルのエントリー数から期待値 を算出 200 100 1000 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 ADC counts 0 600 800 1000 1200 1400 ADC counts 1 層目 2 層目
31 Cross talk - absorpdon length- v α の値 吸収率 A=1- exp(- αx) 300nm(p.e.) 355nm(p.e.) 139 0.63 0.68 2.58±0.31 108 0.63 0.46 2.52±0.24 UV 113 0.39 0.43 2.72±0.32 93 0.83 0.35 2.36±0.15 90 0.39 0.53 2.56±0.36 81 0.48 0.24 2.55±0.18