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修士論文
SPring-8におけるBGOEGG実験のための
荷電粒子検出器の開発
渋川卓也
1月27日
1
目次
 BGOEGG実験
 インナープラスチックシンチレータの製作
 宇宙線による性能評価
 Spring-8BGOEGG実験での性能評価
2
BGOEGG実験
BGOEGG
p
TOF検出器
p
photon beam
14 m
γ
CDC + IPS
BGOEGG実験の概念図
素過程
核内吸収の同定
3
• Spring-8 BL31で大立体角・高分解能γ 線電
磁カロリメータBGOEGGを用いて行う
• 素過程として γ p → ω p 反応を用い、欠損
質量測定によりω 中間子束縛状態探索を行
う
• ω 中間子の束縛エネルギーは30～50 MeVが
理論予測されている[1]
• 2.7 GeV光子ビームを用い、γ p → ω p 反応
によりほぼ静止した ω 中間子を生成
• 前方に放出される陽子を前方TOF検出器に
より欠損質量分解能 30 MeV/c2 測定
• 同時に、ω 中間子の核内吸収を
ω N → N*→ γ pあるいは
ω N → γ Δ → γ π 0pの反応で生じる γ 線
と陽子を標的付近でとらえることで同定し
バックグラウンドを低減する
[1]H. Nagahiro et al, Nucl. Phys. A761 (2005) 92,
BGOEGG検出器
H1334
H6524
144°
24°
Photon beam
BGOEGGの断面図
target
直径
84 cm
長さ85 cm
4
BGOEGGの3D概念図
• 化学式Bi4Ge3O12で表されるBGO単
結晶を用いた無機シンチレータ
1320本からなる電磁カロリメータ
• 方位角方向に6°ずつ60分割、極角
方向には6°～4°ずつ22分割
• 卵型にすることで最前方の結晶の
前面が極端に小さくなることを避
けた
• 極角アクセプタンスは24°～144°、
方位角アクセプタンス360°
• 内部にフレームを持たず、結晶が
積み重なることによって構造を保
つため、アクセプタンス中にDead
Regionがない。
• 内側に標的と荷電粒子検出器を設
置する直径230 mmの空間がある。
BGOEGG検出器の性能
エネルギー分解能
各項は電磁シャワーの揺らぎ、シンチレー
ション光の量、電気的ノイズを表す
stopping power (MeV/mm)
陽子の速度β に対する阻止能
20
14
6
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
• BGO結晶は発光減衰時間が300 nsと
長めである以外は密度7.13 g/cm3、
放射長1.12 cm、モリエール半径2.23
cmなど、ハドロン実験用電磁カロリ
メータとして優れた性質を持つ
• 100～800 MeVの陽電子ビームを用い
てエネルギー分解能の測定が行われ
[2]、1 GeVでのエネルギー分解能は
1.31 % ±0.04 % と求められた
• 運動エネルギー0.01～3 GeVの陽子が
BGO結晶に入射したときの阻止能が
計算された[3]
• 陽子がBGO結晶と同じ程度の飛程と
なるのは運動エネルギー434 MeV、
π ±では253MeV
1
Velocity β
5
[2]T. Ishikawa, GeV-γ 解析ノート HD No.231B,(2011)
[3]T. Ishikawa, GeV-γ 解析ノート HD No.322B,(2013)
インナープラスチックシンチレータの要求性能
インナープラスチック
シンチレータの３D概念図
23 cm
45 cm
インナープラスチック
シンチレータの断面図
target
100 mm
40 mm
6
• γ 線検出器BGOEGGの荷電粒子のVETO
• ω N → N*→ γ p反応の放出陽子を捉えるこ
とを要求する
• 質量が ω 中間子と核子の質量の和程度であ
る場合、放出陽子の運動量は 600 MeV/c程
度で運動エネルギーは178MeV、β は0.5程度
• BGOEGGのBGO結晶の長さと陽子の飛程が
同程度になるのは陽子の運動エネルギー430
MeV程度のとき
• インナープラスチックシンチレータには、
Δ E-E法を用いるために十分なΔ E情報が得
られることが要求される。
• インナープラスチックシンチレータの設置
地点(r = 100 mm)で、1σ 程度の陽子とβ = 1
粒子とのpeak to peak分離を行うため、
σ = 300 psの時間分解能を要求する
インナープラスチックシンチレータ
検出器システムの断面図
MPPCの位置の拡大図
CDC
100 mm
7
113 mm
• 極角アクセプタンス
22°～144°
• 限られたスペースの
ため、MPPCを使用
• 重なり領域を持たせ
て円筒形に30枚配置
• 内側にCDC、外側に
BGOEGGがあるため、
r = 100～113 mm
にインナープラス
チックシンチレータ
を配置
• 1枚の大きさは
長さ453 mm
幅 26 mm
厚さ 5 mm
BGOEGG
ビーム軸に垂直な断面図
インナープラスチックシンチレータの製作
70 V
47kΩ
4 mm
GND
0.1μ F
47kΩ
0.1μ F
MPPC
10kΩ
Multi-Pixel Photon Counter(MPPC)
453 mm
26 mm
signal
0.47μ F
5mm厚プラスチックシンチレータ
読み出し回路の概念図
MPPC
Signal
HV
460 mm
8
• Multi-Pixel Photon Counter(MPPC) を5個並列につなげてシンチレーショ
ン光を検出
• 470 mm の空間に453 mmのプラスチックシンチレータ、MPPC、サポー
トを配置
• 極角アクセプタンス22°～144°を実現
インナープラスチックシンチレータの製作
• 重なり領域があるため厚さの余裕は
ほぼない
• 厚さは最薄4.8 mm 最厚5.2 mmの精度
で加工
• 反射率97.5 %のルイルミラーを使用
• サポートは３Dプリンタで製作し、
r = 100 ～113の範囲内に30枚収め、ジ
オメトリの条件を満たした。
CDC
100 mm
113 mm
組み立て後のインナープラス
チックシンチレータ
BGOEGG
ビーム軸に垂直な断面図
9
性能評価項目
• 実験室での宇宙線を用いた測定
• 時間分解能
• 検出効率
• SPring-8 BGOEGG実験でのデータ収集
• アラインメント、BGOEGGとインナープラス
チックシンチレータの方位角対応関係
• 時間分解能
• Δ E-E相関による陽子識別
10
宇宙線測定のセットアップ
宇宙線
10 mm 角
トリガーシンチ2
IPS
トリガーシンチ1
宇宙線測定セットアップの概念図
インナープラスチックシンチレータは長
さ453 mmで、その中心にトリガーシンチ
レータを配置した
11
• 宇宙線を用いて時間分解能、検出効率
の評価を行った
• 宇宙線事象は2枚のトリガーシンチ
レータのADCで選別
• TDCスタートはトリガーシンチレータ
１のタイミング
• 検出効率の評価のために10 mm角シン
チレータを配置
counts
宇宙線測定で測定したデータ
ADC
0
20
Timing
0
-2000
40
60
2000
Timing vs ADC
0
1000
2000
counts
0 40 80 120 160
Timing
12
3000 ADC
500
1500
2500
ADC
TDC
• 補正を行う前のTDC分布をガウス分布
でフィッティングしたσ は317 ps
• ADC分布はランダウ分布でよくフィッ
ティングできる
• σ には、閾値を超える時間が波高に依
存している影響が含まれる
-2000
0
2000 Timing
Slewing
Correction
Timing vs ADC
ADC
500
1500
2500
ADC
Timing
0
-2000
2000
500
1500
2500
Timing vs trigger ADC
Timing
0
-2000
Timing
0
-2000
2000
2000
Timing vs ADC
500
13
1500
2500
ADC
• 各ADC値のbinごとのTDC値の平均を
上式でフィッティングし、得られた
ADC依存性を取り除く補正を行った
• トリガーシンチレータの波高の影響
も同様に補正
• イタレーティブに補正を行い最終的
に240 psを得た
検出効率の評価
検出効率=
インナープラスチックシンチレータが検出したイベント数
トリガーのADC、10 mm角のADC、TDCの条件を満たしたイベント数
10 mm 角
トリガーシンチ2
IPS
トリガーシンチ1
10 mm 角
トリガーシンチ2
プロトタイプ
トリガーシンチ1
14
• 検出効率の評価には10 mm 角シンチレータを
用いた。
• トリガーのADCがあることに加えた条件は、
10 mm角のTDC値が分布の平均から5σ 以内
であり、ADC値があること
• インナープラスチックシンチレータが検出し
たことの条件は、ADC値があり、10 mm角シ
ンチレータとのタイミング差が分布の平均か
ら5σ 以内であること
• 検出効率は98.3%
• 幾何学的な配置の問題が残っていると考えら
れ、40 mm幅プロトタイプでは99.5%
• Inefficiencyの原因は今後実機での検討を進め
る
SPring-8 BGOEGG実験での性能評価
• SPring-8で2013年12月データ収集を開始
• SPring-8 BL31の最大2.4 GeVのγ 線ビームを用いた
• 原子核標的はポリエチレンと炭素を交換しながら用いた
• トリガー条件はBGOEGGが1モジュール以上または2モジュー
ル以上信号を持つこと
• データ量103 run、400 M trig、
• 今回性能評価に用いたデータはポリエチレン標的で、ト
リガーは2モジュール以上、データ量は13 run、10M trig
• SPring-8 BGOEGG実験での性能評価
• アラインメント、BGOEGGとインナープラスチックシンチ
レータの方位角対応関係
• 時間分解能
• Δ E-E相関による陽子識別
15
アラインメント
マーカー
マーカー
BGOEGGコーンリングフレーム
アラインメントに用いたマーカー
• インナープラスチックシンチレータn番目
と、BGOモジュールの方位角番号2n番目の
対応関係が崩れないことが重要
• セオドライトとロボラインを用いてビーム
ライン中心軸に対して、r = 100 mmの位置
で2.7 mmの精度を達成
16
BGOEGGとインナープラスチック
シンチレータの方位角の対応
BGOEGGとインナープラスチックシンチレータの対応
0
counts
4000 8000 12000
Ips 0 and BGO coincidence
BGOEGGとインナー
0
200
400
600
800
1000 bgo number
プラスチックシンチレータの
方位角の対応
• コインシデンスイベントのカウント数をBGOモ
ジュール番号に対してプロット
• 実験データから、60個おきに対応が取れているこ
とが確認された
• 低いピークは180°反対側のインナープラスチック
シンチレータが同時になるイベントによる
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重なり領域を用いた時間分解能の評価
0
counts
600
200 400
Timing
-60
0
Timing
60
重なり領域。BGOEGGで
イベント選別を行った
• 重なり領域の時間差は時間分解能を反映
• 隣り合う2枚がともにADC値を持ち、重なり領域の後ろのBGOモ
ジュールにTDC情報があるイベントで評価
• 細い成分と太い成分を持ち、細い成分をガウス分布でフィッティン
グした結果のσ は最小210 ps,最大330 ps
• 太い成分は2粒子による信号と考えられる。
18
0
1
2
3
4
Δ E (a.u.)
7
6
5
8
BGOEGGとインナープラスチックシンチレータのエネルギー損失の相関
Δ E-E
0
•
•
•
19
•
100
200
300
400
500
E (MeV)
BGOEGGとインナープラスチックシンチレータのエネルギー損失の相関図か
ら、陽子によるものと考えられるΔ E-E相関が見て取れる。
陽子の他にも構造が見られる。
インナープラスチックシンチレータのADCのモジュール依存性は分布のピー
クをもとに較正
BGOEGGのADCはπ 0の質量をもとに較正
proton part
Δ E (MIP)
8
6
4
Δ E-E
2
300
0
0
2
Δ E (MIP)
8
6
4
フィッティングによるΔ E-E相関の検証
600
900
E (MeV)
600
900
E (MeV)
Δ E-E
0
0
2
2
Δ E (MIP)
8
6
4
Δ E (MIP)
8
6
4
proton part
300
20
300
600
900
E (MeV)
300
600
900
E (MeV)
• もっとも鮮明な構
造を陽子の質量を
用いたBethe 関数
でフィッティング
• 得られたパラメー
タでdeuteron, K中
間子、π 中間子の
質量について曲線
を作成。
フィッティングによるΔ E-E相関の検証
Δ E (a.u.)
Δ E-E
ｄ
ｐ
π
K
E (MeV)
• deuteron,π 中間子の曲線も分布と大きな矛盾はない。
• 詳細なエネルギー損失の分布を考慮に入れた解析を今後
行う予定
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まとめと今後の方針
• SPring-8BGOEGG実験のために荷電粒子検出器としてインナープラスチッ
クシンチレータを開発し、性能評価を行った
• 実験室の宇宙線測定により時間分解能を評価した結果、測定システムの
分解能を含めて244 psであり要求性能の300 psを満たした
• 宇宙線の測定から検出効率を98.3 %と評価、これは比較的低いが、今後実
機での検討を行う
• 本実験での時間分解能は2枚のタイミング差として最小210 ps 最大330 ps
であった
• Δ E-E法による陽子識別を行い、陽子の相関からπ 中間子、deuteronの相
関を導くことで、粒子識別と大きな矛盾のない結果を得た
• 今後はΔ E-E法のより詳細な解析、粒子の速度を用いた粒子識別を行い、
さらに詳細な性能評価、検出器の詳細解析を行い、ω 中間子の束縛状態
についての研究を進める
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