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

STB-Ring Tagging Efficiency Study GEANT4 2010 3

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 ( ) 4 3 2 Efficiency

1 5 1.1 Strangness....................... 5 1.2 NKS2........................... 5 1.3 STB-Ring........ 8 1.4 Tagging System........................ 8 1.5 Sweep Magnet......................... 10 1.6........................ 10 2 11 2.1................ 11 2.1.1 Bethe-Bloch.................. 11 2.1.2........................ 11 2.2................... 12 2.2.1........................ 12 2.2.2.................... 13 2.2.3...................... 13 2.3....................... 14 2.4........... 15 2.4.1...................... 15 2.4.2......................... 16 2.5..................... 17 3 19 3.1........................ 19 3.1.1..................... 19 3.1.2................ 20 3.1.3.. 20 3.2 PMT Test........................... 22 3.3.......................... 23 1

3.3.1..................... 24 3.3.2.......................... 24 4 27 4.1 Geant4.................. 27 4.2 construction................. 27 4.3................... 27 4.3.1..................... 27 4.3.2.......................... 28 4.3.3........... 28 4.4.................... 29 4.4.1..................... 29 4.4.2.......................... 32 4.4.3.......................... 34 5 36 2

1.1 (e,e K + ) (γ K 0 ) [2].......... 6 1.2 (γ,k + ) (γ,k 0 ) [3]. 6 1.3 NKS2 [2]..................... 7 1.4 STB-Ring [4]...................... 8 1.5 beam line [4].................... 8 1.6 Tagging System [4]................. 9 2.1 [8]....... 13 2.2 Pb 3 [5]......... 14 2.3 Tagging Efficiency( ) radiator off/on rate(, )........................... 15 2.4........... 17 2.5 mm........................ 18 3.1 (PbSciFi). 21 3.2 PbSciFi beam............ 21 3.3 PMT 90 Sr..... 22 3.4........ 22 3.5-2200V...... 23 3.6 PbSciFi..................... 24 3.7....................... 25 3.8 logic...................... 25 3.9....................... 26 3.10 ( log )............ 26 3.11 (60ch )............ 26 4.1 PbSciFi Geant4 construction........... 28 3

4.2.............. 29 4.3 1, 3, 5, 10 GeV µ Pb Energy Deposit( :, : [MeV])................... 30 4.4 1, 3, 5, 10 GeV µ Fiber Energy Deposit( :, : [MeV])................. 30 4.5 ( 3.11).............. 31 4.6 ( 4.4)....... 31 4.7 2007 10 mm.. 31 4.8............... 32 4.9 Fiber Energy Deposit 33 4.10 Absorber Fiber Energy Deposit... 35 4

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

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

1.3: NKS2 [2] Ks 0 69.2 % π π + 63.9 % 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

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 1.2 1.2 GeV beam current 50 ma BM4 QC2 BM4 32.5 cm Radiator Radiator 11µm beam size 1/100 beam Radiator 1.4 Tagging System Tagging System STB- 8

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

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 2.7 1.6 STB Ring Tagging System Efficiency PMT rate STB-Ring Beam Intensity Efficiency STB-Ring Beam Intensity Efficiency Efficiency 10

2 2.1 2.1.1 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 2 2.1.2 10 MeV 11

( ) ( ) 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 ] 3 2.2.1 (K ) E e = w 0 I( w 0 I ) Z 5 X 12

2.1: [8] 2.2.2 w = w 0 1 + ( 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 2.2.3 w 0 > 2m e c 2 1.02 MeV 1 w 0 2m e c 2 13

3 2.2 0.8 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 ) 50 50 250 mm 3 CsI Beam intencity TagF 15 ch 80 % 90 % 14

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 2.4 2.4.1 Efficiency Beam Intensity High rate rate PMT PMT 10 MHz rate 15

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 2.4.2 Absorber ( 2.4) Absorber Absorber 16

2.4: 2.5 2.5 Absorber Pb Pb Absorber Absorber Sweep Magnet 17

2.5: mm 18

3 PMT 3.1 3.1.1 E c 1 E c [7] E c 580 [MeV] (3.1) Z 19

Z X 0 [g/cm 2 ] P = 1 e 7 9 54% 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 3.1.2 Crystal(NaI ) ( ) ( ) 3.1.3 (Pb Scintilation Fiber Calorimeter) ( PbSciFi ) 1.0 mm 50.2 52.0 245 mm 3 20

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

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 H6152-01B(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 32 32 20 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

3.5: -2200V PMT -2300 V -2200 V 3.3 2 1 K π K π π τ µ = 2.2 10 6 [s] K π 23

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 3.3.1 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 3.3.2 結果 得られた電荷分布の結果を図 3.9 3.10 3.11 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

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

3.9: 3.10: ( log ) 3.11: (60ch ) 26

4 4.1 Geant4 Geant4 [9] Geant4 C ++ 1980 CERN FORTRAN Geant Geant4 Geant 4.2 construction Geant4 PbSciFi 1 4.1 PbSciFi 4.3 4.3.1 PbSciFi beam beam cos 2 θ 27

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 4.3.2 結果 図 4.3 4.4 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 4.3.3 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

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 36 40 MeV 4.5 5.0 MeV 4.4 4.4.1 Sweep Magnet 1 T 29

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

4.5: ( 4.6: 3.11) ( 4.4) 10 mm ( 4.7) 1.5 mm Absorber beam Pb ( :(C 2 H 3 Cl) n ) 0 1.2 GeV Tag 0.8 GeV 1.1 GeV Fiber Energy Deposit 4.7: 2007 10 mm 31

4.8: 4.4.2 Absorber Fiber Energy Deposit ( 4.9) 50000 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

4.9: Fiber Energy Deposit 33

Absorber Fiber Energy Deposit ( 4.10) 0.8 GeV 1.1 GeV 500000 events 100000 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 % 50 125 MeV 4.4.3 Absorber Pb event Entry 15 mm Pb rate 41 % rate Tag 0 1.2 GeV /E Tag rate % Absorber 34

図 4.10: Absorber を導入した時の Fiber 層での Energy Deposit 35

5 Absorber High rate beam Pb converter Fright 36

[1] O.Hashimoto and H.Tamura, Spectroscopy of Lambda hypernucle, Progress in Particle and Nuclear Physics, vol57, no.2,pp.564-653,2006 [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] http://geant4.web.cern.ch/geant4/ [10] G.F.Knoll, 3 ( ) [11], WLS,,,2000. [12], ILD,,,2009. 37

38