液体アルゴン３次元飛跡イメージング検出器

液 体 アルゴン3 次 元 飛 跡 イメー ジング 検 出 器 丸 山 和 純 (KEK)

液 体 アルゴン3 次 元 飛 跡 イメージング 検 出 器 現 代 版 電 子 泡 箱 検 出 器 高 位 置 分 解 能 飛 跡 検 出 器 (~1mm 分 解 能 ) 正 確 な 事 象 形 態 を 測 定 できる 低 い 運 動 量 の 粒 子 から 測 定 可 能 局 所 的 なエネルギー 損 失 を 測 定 可 能 de/dxと 飛 跡 レンジ( 距 離 )による 粒 子 識 別 電 子 とπ0 中 間 子 事 象 の 区 別 フルサンプリングで 全 方 位 均 一 物 質 エネルギー 再 構 成 能 力 が 優 れている 50 cm 65 cm e- p MC νe CC, Eν=0.730 GeV pion 40 cm positron MC single π0, E=0.5 GeV proton Test-Beam data 0.8 GeV/c 76 cm 目 で 見 て 分 かる 素 粒 子 検 出 器 の 現 代 版

原 理 電 離 電 子 信 号 を 使 った3 次 元 イメージング 電 離 電 子 電 場 チェレンコフ 光 荷 電 粒 子 シンチレーション 光 (128nm) 2 次 元 陽 極 読 み 出 し+ドリフト 時 間 情 報 を 使 用 し 3 次 元 飛 跡 再 構 成 が 可 能 ただし 電 離 される 電 子 数 は 少 ない ガスと 違 って 増 幅 もない; ~1fC /mm@ MIP 良 いプリアンプが 必 要 ~kv/cmの 電 場 により ~2mm/μsでドリフト 速 度 が 遅 いので 長 距 離 ドリフトさせる 検 出 器 は 高 いレートの 測 定 に 向 かない ニュートリノのように 検 出 頻 度 が 低 い 測 定 や 地 下 実 験 向 き カロリメータ 等 に 使 うときは ドリフト 距 離 を 短 くし ドリフト 時 間 を 短 縮 高 純 度 液 体 アルゴンが 必 要 (1ppb 酸 素 相 当 純 度 の 液 体 アルゴンでドリフト 電 子 が60cm 進 むと1/eに 数 が 減 衰 ) ドリフト 電 子 の 拡 散 はガスと 違 って 小 さい 40cmドリフト 後 で0.3mm 電 離 電 子 の 他 に シンチレーション 光 も 使 う 暗 黒 物 質 探 索 実 験 も 最 近 はさかん

水 と 液 体 アルゴンの 性 質 の 違 い Water Liquid Argon Density (g/cm 3 ) 1 1.4 Radiation length (cm) 36.1 14.0 Interaction length (cm) 83.6 83.6 de/dx (MeV/cm) 1.9 2.1 Refractive index (visible) 1.33 1.24 Cerenkov angle 42 Cerenkov d 2 N/dEdx (β=1) 160 ev 1 cm 1 130 ev 1 cm 1 Muon Cerenkov threshold (p in MeV/c) 120 140 Scintillation No Yes ( 50000 γ/mev @ λ=128nm) Cost 100yen/liter (Evian) 100yen/liter

G.Alberto s slide In neutrino 2010 ( 現 存 稼 働 する 世 界 で 最 大 の 電 子 泡 箱 検 出 器 )

世 界 に 広 がる 巨 大 電 子 泡 箱 ( 米 国 と 欧 州 ) 米 国 : LBNE 0.7MW(MI) 2.4MW(Prj-X) (1300km) 液 体 アルゴン3 次 元 飛 跡 イメージング 検 出 器 を Homestakeに ステージングアプローチ; 10kt 検 出 器 を 地 表 に DOE CD-1 追 加 の 予 算 が 出 たら 地 下 へ 欧 州 (EU) 最 優 先 オプション: CERN -2300km 20kt in Pyhasami (finland) 長 距 離 を 活 かし 質 量 階 層 性 へ 良 い 感 度 US LBNE Y.K.Kim 6

ニュートリノ 物 理 への 応 用 3 次 元 飛 跡 を1つずつ 測 定 可 能 Inclusive でなく exclusiveな 測 定 が 可 能 特 に ν µ +n µ+p+x のような 非 弾 性 散 乱 測 定 が 得 意 カロリーメータと 違 い 粒 子 飛 跡 1 本 ずつを 同 定 し ながらエネルギーを 測 定 することが 可 能 ニュートリノ 振 動 はEn/Lの 関 数 なので ニュートリ ノエネルギーを 精 度 良 く 測 定 できる 検 出 器 が 良 い 通 常 のカロリーメータと 比 較 して どこまでエネル ギー 分 解 能 が 良 くなるか? e/µ/π/k/p 識 別 が 得 意 これらの 利 点 はMCだけでなく 実 験 的 に 証 明 する 必 要 がある 荷 電 粒 子 ビームテストをやる 動 機 に

エネルギー 再 構 成 方 法 エネルギー 再 構 成 の 方 法 (1) 個 々の 飛 跡 のΣdE/dxを 足 しあ げる (2) 識 別 された 個 別 の 粒 子 の 質 量 は 別 途 足 しあげる 弾 性 散 乱 事 象 のみならず 非 弾 性 散 乱 事 象 も 解 析 に 使 う ことが 可 能 広 いニュートリノエネルギー 領 域 で 使 用 することができる 解 析 できる 事 象 数 が 増 加 粒 子 識 別 やエネルギー 分 解 能 についてはMCだけで なく 実 験 的 な 検 証 が 必 要

日 本 における 開 発 の 現 状 (2008-2013) 良 く 理 解 された0.2~0.8GeV/cの 荷 電 粒 子 e/π/p/kを 用 いたビームテスト を 達 成 (J-PARC T32 in 2010) 計 画 (T49 in 2013). 総 重 量 ~400kgを 持 つプロトタイプを 使 用 1 次 元 1cmストリップを 用 いたT32 実 験 データの 解 析 (2011/12) 2011 年 から2013 年 に (A) 純 度 (B) 印 加 ドリフト 電 場 (C) 読 み 出 しを 改 良 し 次 回 ビームテスト(J-PARC T49, 2013 年 5-6 月 )を 行 う 予 定 純 度 ;~0.8ppb(2010) ~0.4ppb (2012) 安 定 印 加 可 能 電 圧 ;9kV (2010) > 30kV (2012) 1 次 元 1cmストリップ 読 み 出 し(2010) 2 次 元 4mmピッチ 読 み 出 し(2013) 4 月 23 日 から 宇 宙 線 を 使 った 最 終 的 なテスト Fiducial mass Total LAr mass Fiducial volume Typical HV@cathode #of readout channels 76 strips (1cm) anode Parameters @ T32 170kg ~400kg 40cm x 40cm x 76cm 9kV 76 strips (1cm) drift PMT

2010 Oct beam-test degrading momentum using Lead Glass and Lead block beam width @ deg. σ x ~8cm, σ Y ~6cm particle Particle Identification ΔTOF(K)>ΔTOF(π) Fitch Cherenkov Gas Cherenkov Cherenkov (Beam Defining Counter) Gas Cherenkov BDC T32 proton (200ps resolution) (200ps resolution) LG Accumulated samples in 2010 K1.1BR 7000 540MeV/c K+ events (800MeV/c w/ 2 Lead Glasses) 35000 680MeV/c K+ events (w/ one LG) 40000 630MeV/c K+ (w/ 1 LG and 1 Lead Block) 70000 200MeV/c π+ events w/o degraders 2500 800MeV/c e+ events 1500 800MeV/c proton events 3.5m Concrete block 10

MIP particles (800MeV/c π) Through going pions Through-going pions (~MIP) is used to compare data and MC after including all effects to MC simulation. Channel gain correction DATA MC Signal Charge ( ADC*μs) Charge distribution in each channel is fit by Landau + Gaussian, and the correction is applied based on the MPV value. (data and MC, separately) 11

Kaon data (in old test-beam) individual Hit charge (all hits) Range We see the reasonable agreement between data and MC: Hit charge (all channel) Stooped channel (=range) Hit charge as a function of distance from stopped point. And their ratio. Data/MC (mean FADC) Charge at stopped point Charge at stopped point -7cm Data/MC of charge

2 次 元 4mm 読 み 出 し(2013) To connector A1 A2 A3 A4 To connector B1 B2 B3 B4 C1 C2 C3 C4 D1 D2 D3 D4 0.2mm 0.8mm 0.8mm 0.8mm pads 0.2mm space KEK electronics group helps this as KEK Open-It project. (Manobu Tanaka, T.Uchida, M.Ikeno)

可 能 なランタイム(2013 年 5~6 月 ) 粒 子 運 動 量 統 計 コメント π+ 800MeV/c 20000 較 正 用 ラン p 300MeV/c 100000 800(or 900) MeV/c de/dxを 使 った 粒 子 識 別 崩 壊 からのeを 使 った 較 正 50000 高 de/dx 測 定 K+ 600MeV/c 100000 de/dx を 使 った 粒 子 識 別 崩 壊 からのμを 使 った 較 正 e+ 150MeV/c 50000 エネルギー 分 解 能 測 定 約 1 週 間 の 物 理 ラン 時 間 再 結 合 やドリフト 速 度 の 確 認 のため 高 電 圧 も 変 える 予 定 K+ の 運 動 量 は 変 わるかも

大 きな 検 出 器 を 作 るには ドリフト 電 子 は 酸 素 窒 素 水 分 等 の 不 純 物 によって ドリフト 中 に 減 衰 してし まう 良 い 純 化 ( 循 環 )システムが 必 要 ドリフト 電 子 の 寿 命 と 純 度 の 関 係 は 次 の 式 で 表 せる; τ (µs) ~ 300 / purity (ppb). 右 下 図 ; 減 衰 を 示 す 例 えば 5m 電 子 がドリフトする 検 出 器 を 作 成 しようとすると 酸 素 相 当 で0.2ppbよりずっと 良 い 純 度 が 必 要 どのドリフト 距 離 を 選 ぶのか? ICARUSでは 1.5m 電 子 ドリフトに 対 し 0.06 ppb 純 度 を 達 成 高 電 場 (= 高 電 圧 印 加 システム) 再 結 合 や 減 衰 を 減 らすために 500V/cm 以 上 のドリフト 電 場 を 作 ることが 望 ましい とされている 例 えば5mのドリフトには250kVの 電 圧 が 必 要 ICARUS は500V/cm(75kV)でオペレーション 中 特 に ガスアルゴン 中 の 放 電 に 気 を 付 ける 必 要 良 い 信 号 /ノイズ 比 良 い 増 幅 器 が 必 要 これらの 技 術 をよりリーズナブルなコストで ICARUSは 完 成 された 検 出 器 だが 高 価 すぎる 更 なるコストダウンが 必 要 より 高 いエネルギーの 粒 子 に 対 する 検 出 器 応 答 の 実 験 的 な 検 証 も 重 要 A.Rubbia (neutrino2012)

暗 黒 物 質 探 索 への 応 用 例 ( 気 液 2 相 型 ) 光 読 み 出 し 素 子 anode Gas 暗 黒 物 質 (WIMP) Liquid cathode drift e - e - e - e - e - e - 二 次 シンチ 光 (S2) 一 次 シンチ 光 (S1) 光 電 離 電 子 数 : 50 /kev シンチ 光 と 電 離 電 子 を 同 じ 光 読 み 出 し 素 子 で 検 出 高 い 背 景 事 象 除 去 能 力 (S1/S2 比 +シンチ 光 波 形 弁 別 ) Xeなどに 比 べ 安 価 自 然 同 位 体 39 Ar が 背 景 事 象 に 取 り 出 し 電 場 >3 kv/cm ドリフト 電 場 ~ kv/cm DM 入 射 γ 入 射 DM 液 相 S1とS2の 光 量 比 を 用 いて 信 号 と 背 景 事 象 を 分 離 S1 S1 e - e - 気 相 S2 S2 γ time time S1の 信 号 波 形 を 用 いて 信 号 と 背 景 事 象 を 分 離 早 い 成 分 ~6 ns 遅 い 成 分 ~1.5 μs 日 本 物 理 学 会 田 中 雅 士 氏 スライド(28pRF-7)から 借 用

まとめ 液 体 アルゴン3 次 元 飛 跡 イメージング 検 出 器 は 現 代 版 の 電 子 泡 箱 検 出 器 その 高 い 検 出 器 能 力 を 活 かして ニュートリノ や 暗 黒 物 質 探 索 へ 使 用 されている コスト 削 減 と 実 験 的 な 物 理 性 能 の 確 認 が 現 存 最 大 検 出 器 (ICARUS)より 大 きな 検 出 器 を 作 成 する 際 の 世 界 的 な 課 題 日 本 では 主 に 荷 電 粒 子 を 使 用 した 検 出 器 性 能 の 実 験 的 な 検 証 (とそれに 付 随 する 開 発 ) を 行 ってきた 2013 年 には 更 なるビームテ ストをJ-PARCで 行 う 予 定

dq/dx comparison between data and MC (p and K) After MIP response is corrected, we compare the data and MC for K / p samples Typical proton event Signal charge definition Hit charge charge deposit in each channel. Cluster charge Sum of hit charge in a track. Stopped (or decay) channel In proton case, the rightest hit channel of the track is defined to be stopped channel. At kaon case, Hough algorithm and chi2 algorithm find the decay vertices. (right 2 events show the example of the tracking algorithm works) Hit charge Stopped channel Cluster charge We compare following variables. Hit charge, range, (cluster charge) 18 Typical Kµ2 two candidates