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液体アルゴン TPC 検出器の開発早稲田大学, KEKA ,岩手大学 B , ETHZC
岡本飛鳥,岡本迅人,長坂優志,永野間淳二,三谷貴志,寄田浩平,笠見勝祐 A ,木村誠宏 A ,小林隆 A ,田中雅士 A ,西川公一郎 A ,
長谷川琢哉 A ,牧宗慶 A ,丸山和純 A ,吉岡正和 A ,内藤祐貴 B ,成田晋也 B ,
A.BadertscherC , A.CurioniC , S.DiLuiseC , U.DegundaC , L.EpprechtC , L.EspositoC , A.GendottiC , S.HorikawaC , L.KnechtC , C.LazzaroC , D.LussiC , A.
MarchionniC ,A.MeregagliaC , G.NattererC , F.PetroloC , F.ResnatiC , A.RubbiaC , C.Strabel
C , T.ViantC
2011 年 5 月 13 日 ( 金 ) 高エネルギー物理 春の学校 @ 彦根ビューホテル
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IntroductionIonization Electron
Scintillation Light
Cherenkov Light
Charged Particles
E
液相
液体アルゴンの特徴・性質• 電離電子 (~5×104 個 /cm MIP)• シンチレーション光 (~4×104photon/cm MIP 128nm) • 電子捕獲をしない (O2 の除去、純度が重要 )
• 密度 1.39g/cm3, 沸点 -186℃
Physics Motivation νμ→νe 振動における CP 位相の測定 陽子崩壊 p→ νK+ ( 250LArTPC,K1.1BR 実験) 暗黒物質探索( 10LArTPC, 早稲田開発研究) 2
TPC(Time Projection Chamber) とは
• 荷電粒子による電離電子の読み出しにより、その飛跡を 3 次元で高精度に再構成できる検出器
• 電離信号の大きさから、液体アルゴン中での dE/dx を測定することも可能
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Outline• J-PARC K1.1BR 実験
– 研究動機– 250LAr 検出器とデータ、ビームライン– 取得信号例、シミュレーションデータ– 純度測定
• 10LArTPC 開発研究 @ 早稲田大学– 研究動機– シンチレーション光観測– 電離電子増幅
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405/13/2011
J-PARC K1.1BR 実験
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• 核子崩壊– 核子の寿命は新しい物理に対して重要なパラメーター LAr 検出器は p→K+ν の K+ の信号を直接検出可能( SUSY GUT で大きな
分岐比)
研究動機
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Simulation Study(JHEP 0704:041,2007) Background reduction ~105
Kaon efficiency ~97%
シミュレーション
K1.1BR 実験ではLAr 検出器の dE/dx による K/π 分離能力を実験的に検証
する
K+340MeV/cAr 中の飛程 ~ 20 cm停止直前の K+ の dE/dx は大きい!
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250LAr 検出器とデータ
• dE/dx によって、 K/π 分離能力を測定するために…– Tracking Algorithm の確立 ( 荷電粒子の飛跡、停止点の決定)– 減衰による電荷補正←宇宙線 μ による純度測定– チャンネル間補正(電場補正、アンプ特性)
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ee e
e
Particle
LAr
Anode
Cathode
IonizationScintillation light
DriftElectric field
y
x
z
0ch 75ch
時間ADC count 入射粒子の飛跡
崩壊粒子の飛跡
停止点( 崩壊点 )
zxPMT
Real Data
… それぞれシミュレーションデータによる検証が必要。
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取得信号例
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• K1.1BR のビーム– 運動量: 800MeV/c (+degrader)– K/π~1/4 、 3 個 /1 beam bunch(6s)
• 粒子同定– TOF1 、 TOF2– Fitch Cherenkov(K/π)– Gas Cherenkov
• トリガー条件 8
particle
250LArTPC
Gas Cherenkov
Fitch Cherenkov(π-ring,K-ring)
BDC=Beam Defining Counter…Beam’s Final Focus (FF)
LArBDC
DegraderTOF2TOF1
BDC & TOF1 & TOF2 & LArBDC
Beam Line Setup
空気
K,π,p,e
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Simulation Setup (Beam Line)
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K Beam
Fitch Cherenkov(FC)
BDC
TOF1 TOF2
Degrader
250LAr
~5.3m
検出器の物質と厚さ
検出器 物質 厚さ[mm]
Fitch Cherenkov アクリル 40
BDC プラスチック 5
TOF プラスチック 20,25
Degrader 鉛ガラス 125
鉛ブロック 25
LArBDC プラスチック 5
250LAr SUS304 (蓋* ) 50
液体アルゴン 836.4
• 250LAr 検出器と Beam Line上のそれぞれの 検出器を Geant4 を用いて Simulation に実装。
黒い部分は空気で満たした。* ただし、中心のビーム窓 (210×210mm2) はハニカム構造
になっている…放射長が短い (radiation length ~ 0.16X0)
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Simulation (K+→μ++νμ)
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K+
νμ
μ+ 250LAr
10Geant4 によるシミュレーションイベン
ト例
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Simulation Data
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シミュレーションデータで Tracking Algorithm等の評価を行っている。05/13/2011
Simulation Real
TPC Ch10 TPC Ch10
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純度解析 eDriDri tNtN exp)( 0
• LAr 中の不純物によりドリフト電子が捕獲される– – 40cm のドリフトには 1ppb以下の純度が必要!
(1ppb ⇔ e=300s)
• 解析方法– 容器内 PMTコインシデンスによりトリガー
– 電荷とドリフト時間の関係をプロットし、 τe を見積もる。
• 純度解析結果 実験を通して( 7 日間)、 τe>300μs を達成
! → 1ppb以下の純度を常に保持!実験開始時 : τ 670μ≒ s( 約
0.45ppb )実験終了時 : τ 385μ≒ s( 約 0.78ppb )毎時 0.002ppb 程度の純度の悪化
Preliminary Plot
τ = 671 – 1.90 ( t - t0 )
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ある 1事象の電荷とドリフト時間の関係
純度と液体 Ar注入からの時間の関係
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ここまでのまとめ(まだ終わりません)
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• LArTPC 検出器での核子崩壊探索感度の実験的検証のために J-PARC にてビームテストを行った。
• Simulation data(K1.1BR 、宇宙線信号 ) を作成• 宇宙線信号から液体アルゴンの純度を測定
– 全実験期間で必要な純度 (<1ppb) を達成
• Simulation data を用いて、 Tracking Algorithm等の評価– ノイズの影響– 崩壊点の決定– dE/dx の見積もり– 入射粒子と崩壊粒子の決定
• 実データに、 Tracking Algorithm を適用し、 dE/dx を算出し、
K/π 分離能力を評価する。05/13/2011
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10LArTPC 開発研究@ 早稲田大学
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暗黒物質探索
anode
cathode
grid
EEEE
e-e-e-
S1
PMT1 PMT2
particle
入射粒子との反応で発生 1 次シンチレーション光 ・・・ S1 電離電子が高電場中で加速されたときに発生 2 次シンチレーション光 ・・・ S2
S1 ・ S2 の比で背景事象を取り除くことができる。
( S2 / S1 ) WIMP <<<< ( S2 / S1 ) e,γ
• 暗黒物質探索 2 相型 ArTPC で 2種類のシンチレー
ション光 を捉えることにより、直接暗黒物質探
索を 行うことが出来る。
2種類のシンチレーション光
e-e- e- S2
drift time
WIMP
drift time
e,γ
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シンチレーション光観測のセットアップと信号例
波長変換剤 (TPB) を用い、 Ar のシンチレーション光(128nm) を検出する。
低温で動作可能な PMT を使用。MEG 実験で使用されたものの改良版
使用したガス : 純 Ar(G1, 純度 99.9999%以上 )真空引きを行った後、ガスを流入。(常温、 1気圧)
PMT self trigger で信号取得
α 線源
Cathode(grid)
grid2
grid1
induction field
S1S2
ガス Ar 中での S1 ・ S2 信号の確認
信号例
grid2
α 線源
3.2cm
2.0cm
EE
PMT
0.7cmgrid1
0.8cm
e-
S2
S1
induction field
cathode
anode
drift field
~8μs
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S2 信号の電場特性
Drift E = 500 V/cm(fixed)
Induction E = 2.6 kV/cm(fixed)
それぞれの電場で 500事象ずつデータを取得。Average を取り S2 信号の電場特性を確認した。
……… 定量的な解析は現在遂行中である。
Induction 電場と S2 の関係Induction 電場 大 ↓Ar 分子を励起する電離電子の数 増加 ↓S2 が増加する!
Drift 電場と S2 の関係Drift 電場 大 ↓電離電子の再結合 低下電離電子の drift速度 大 ↓S2 が増加しピーク時間も早くなる!
S1
S1
S2
S2
Induction 電場と S2 の関係
Drift 電場と S2 の関係05/13/2011
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GEM + Wire 読み出しセットアップ Wire
GEM
Cathode
grid2Xe Flash Lamp
ΔV
grid1
Drift Field
e-e-e-
Induction Field
• 暗黒物質探索を行うために、 微小な電離電子信号を取得したい。 → GEM+Wire 読み出しのゲイン測定
• 使用したガス:純 Ar(G1, 純度 99.9999%以上 )
真空引きを行った後、 ガスを流入させる。( 1 気圧、常温、封じ切り)
• GEM 間電圧 ΔV を変化させ、 それぞれ 200事象ずつ信号を取得した。
• ガス増幅による Gain を次のように定義。
-HV
Resistance(100MΩ)
Condenser (2.2nF)
時定数 τ=220ms のハイパスフィルタ
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信号量信号量
cathode
anodeGain
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(1)(2)
ΔVGEM
Gain 測定結果
2kV/cm (1) 2.5kV/cm (2)
1010V 900V
Wire 電圧2.0kV/cm : Gain~508 (ΔVGEM = 1000V)2.5kV/cm : Gain~568 (ΔVGEM = 900V)
放電電圧の直前までで、
→クエンチャーが入れられないため 放電 しやすい。
(1) GEM による放電(2) 10L容器での放電
GEM単体 Gain~89 (ΔVGEM=970V)Wire単体 Gain~38 (2.5kV/cm)
参照現在までに、ガス Ar 中にて
• ワイヤー電圧は 2kV/cm 、 2.5kV/cm とした。
GEM+ワイヤー読み出しによる Gainの
ΔVGEM 特性は右のようになる。放電電圧
を達成している。
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Summary & Future Plan
10L容器、 GAr 常温・ 1 気圧中にて、GEM+Wire 読み出しを用いてGain ~ 500 を達成!次の目標より高い増幅率に向けて、
低温での高 Gain ・安定動作を目指す!
10L容器、ガス中にて S2 を確認! Induction 電場の増加に対する、
S2 増幅を確認。 Drift 電場の増加に対して、 S2 のピークが早くなり、 信号量が増幅することを確認した。 多段 GEM などを試す
放電対策次の目標気液 2 相型で S2 を確認する!
2 相型 TPC として確立させ、暗黒物質探索を行いたい!
これらを組み合わせることで・・・
※低温での Gain 特性も調べる。
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シンチレーション光 電離電子増幅
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Backup
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Geant4 Simulation(Beam)
x_mean=5.2cm,σx=8.2cmy_mean=0.2cm,σy=8.3cmx = 0.8 cm y = 0.5 cm
@ BDC(FF , by simulation)from TREK experiment
@the front of 250LAr Detector (measurement by scintillation counter)
Beam Line
Beam
• BDC での Beam 分布から 1 点、 250LAr 検出器での Beam 分布から 1 点をランダムに 選び、直線を結ぶことによってビーム方向を決定した。 →Beam の拡がりを Simulation に実装• この条件の上で、 LArBDC を通過した事象を Simulation Data として選択する。
~5m
23
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擬似データ作成1. 粒子のエネルギー損失をストリップ毎に計算。
2. W値から、生じる電離電子数を見積もる。3. ドリフト速度から、ドリフト時間 (tDri) を計算。
4. ドリフトし減少した後に各ストリップで読み出される電子量 (NQ) を見積もる。
5. NQ と tDri から信号を正規分布で生成。
6. 電子量から、 ADCカウントに変換する。 #electron→charge→voltage→ ADC data デッドチャンネルを考慮した。
7. ノイズを付加する。 ペデスタルの揺らぎ (σ=2~5ADC count) or 実データを用いたノイズ
を導入。
W value[eV] Drift Velocity[mm/μs]
23.3 0.8
K
μ
ee
ee
ee
e ee e
ee
ee
ee
e
Anode
Cathode
ee
ee ee e
NQ
Electric field
40cm
N0
drift
eDriQ tNN τ exp0
NQ
tDri
σ= 3.6μs
t
電子
量
24
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宇宙線信号例
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宇宙線がほぼ垂直に抜けた例(赤線:トリガタイミング)
シャワーがトリガされた例
多重散乱で飛跡がまがっている例δ 線も見える
ほぼ全てのチャンネルにわたり、まっすぐな飛跡が見えた例
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ノイズ除去について
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(1)生データ例 (2) FFT による周波数強度 @ ch8
信号 ノイズ
(3) FFTフィルター前後 @ ch8
- フィルタ前- フィルタ後
( 4 ) FFTフィルタ後
200kHz以上に大きなノイズ成分
高周波ノイズが大幅に改善
飛跡がクリアに
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ヒット・クラスタ探索手順
• 閾値を超える連続した ACDカウントの数が
一定数を超えた場合 にヒットとする。 (下図の各 BOX )
• 隣接するヒットをつなげクラスタを構成
(下図の各色)27
閾値
ヒット1 ヒット2
ヒット3
ヒット1
ヒット3
ヒット2
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Comparison with data
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• K のデータとの比較– LAr 中のビームの拡がりや,ビームの到達距離などが、 Simulation によって、おおよそ再現できている。
• 今後、このシミュレーションを用いて Tracking Algorithmの評価を行っている(現在進行中)。
0 20 40 60TPC Channel
0
100
200
300
Simulation (300事象の重ね合わせ )
0 20 40 60TPC Channel
Tim
e[μs
] Real data (300事象の重ね合わせ )
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気液 2 相型のセットアップと結果
cathode
anode
grid2
α 線源
3.2cm
2.0cm
EE
PMT
0.7cm
白金抵抗 1 0.8cm
drift field
extraction field
気・液 2 相の Ar 中での S1 ・ S2 信号の確認
液面液面
• 液面を extraction領域に保持。 (誤差 1mm以下 ) ( 液面計・白金抵抗 )
•extraction領域に高電場をかける。 (~5kV/cm : 電離電子を気相に取り出すため )
白金抵抗 2
grid1
液面 : grid2 から 0.3cmdrift 電場 : 900V/cm 固定
extraction E6kV/cm
extraction E0 V/cm
S1 S1 PMT self trigger でそれぞれ1000 イベント データを取
得し、Average を取った。
S2 信号が見えていない。 S1 信号の遅い成分が見えていない。( 純度が悪いと考えられる。 )
純度が悪いため電離電子が液中で減衰し S2 が見えていないと思われる。
今後純度を改善し、 2 相型で
電子を気相に取り出してS2 信号を確認する。
4.4×10-4Paまで真空を引いた後、容器を冷やしガスArを流入、 10L容器を 1 気圧に保ったまま
液化。
JINST 5:P05003,201005/13/2011 29
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10LArTPC 中のPMT
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Hamamatsu R6041-06MOD変換剤: TPB( テトラフェニルブタジエン )
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ドリフト電場とドリフト速度の関係
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シンチレーション光 (S1 ・ S2 に関して )
S1
S1S2 S2
grid2
α 線源
3.2cm
2.0cm
EE
PMT
0.7cmgrid1
0.8cm
e-
S2
S1
cathode
anode
e-光電効果
ある頻度で S1 が grid に当たり光電効果を起こすと考えられる。
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電離電子増幅
Recoil Energy (MeV)
5kV/cm
1kV/cm
反跳エネルギーを 50keV と仮定すると、生成される電離電子は、 ~10 個ほど (by ArDM group)→ 電荷量 1.6e-3[fc]
暗黒物質探索のためには、 Gain が ~1000 必要!
厚型 GEM (T-GEM-100-400/700) 穴径 : 300 μm ピッチ : 700 μm 厚み : 400 μm
自作の読み出し基板 材質 : 金メッキタングステン ( 金 3%) 直径 : 30 μm ピッチ : 5 mm 張力 : 0.45 N
暗黒物質探索を行うために、微小な電離信号を取得したい。
PreAmp(Amptek A250) input charge 1fC → output height 1mV
増幅のためのツール
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GEM + Wire 読み出しセットアップ
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Wire – grid1 6mm 2 or 2.5kV/cm
GEM(top) – Wire 6mm 2 or 2.5kV/cm
GEM(bottom – top) ΔV = variable
grid2-GEM(bottom) 7.5mm 500V/cm
Cathode – grid2 10mm 200V/cm