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CERN-SPS 重粒子照射に よる CALET 電荷検出装置の性能テスト

CERN-SPS 重粒子照射に よる CALET 電荷検出装置の性能テスト. 小澤俊介,赤池 陽水 A , 植山良貴,笠原克昌,金子翔伍,齋藤優,田村忠 久 B , 鳥居祥二 , 仁井田 多絵 , 村田 彬 , 他 CALET チーム 早大理工,東大宇宙線研 A , 神奈川 大 B. 450 m m. m m. m m. 320 mm. CALET 検出器構成. X 軸、 y 軸方向にそれぞれ 14 本. IMC : Imaging Calorimeter シャワー 初期発達 、 到来 方向の 測定

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CERN-SPS 重粒子照射に よる CALET 電荷検出装置の性能テスト

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Presentation Transcript


  1. CERN-SPS重粒子照射によるCALET電荷検出装置の性能テストCERN-SPS重粒子照射によるCALET電荷検出装置の性能テスト 小澤俊介,赤池陽水A,植山良貴,笠原克昌,金子翔伍,齋藤優,田村忠久B,鳥居祥二,仁井田多絵,村田彬, 他CALETチーム 早大理工,東大宇宙線研A,神奈川大B 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

  2. 450 mm mm mm 320 mm CALET検出器構成 X軸、y軸方向にそれぞれ14本 IMC : Imaging Calorimeter シャワー初期発達、 到来方向の測定 - Scintillating Fiber (SciFi) 1mm×1mm×448mm 448本× (X,Y) × 8層 - W plate 0.2X0× 5枚+ 1X0× 2枚(合計3X0) CHD : Charge Detector 入射粒子の電荷測定 -Plastic Scintillator 32mm×10mm×450mm 14本×2層(X,Y) TASC : Total Absorption Calorimeter 粒子識別、エネルギー測定 - PWO (20mm×19mm×326mm) 16本×12層(計27X0) 上面 450 CALET検出器 450 側面 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

  3. CALET-CHD概要 • プラスチックシンチレータ(EJ-200)と光電子増倍管(R11823)をアクリル製ライトガイドで接続 • 全体を反射材(3M社製 ESRフィルム)で覆う 32mm 82mm 450mm カタログ値(BC404相当) 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

  4. CERN SPS重粒子照射実験 • 実施期間 • Jan.24th-Feb.4th2013 • 検証項目 • 測定ダイナミックレンジ • 相対論的エネルギー粒子入射時の電荷分解能 • 照射ビーム • Pb(82,208) 30GeV/n の破砕核 (Be ターゲット) • A/Z~2で選別 • 読み出し回路 • TASC-FEC BBM(PMT用) Beam Beam tracker 実験セットアップ Trigger Detector CHD-0 CHD-1 Beam 182cm 8cm 48cm 46cm 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

  5. Beam trackerによる核種の選別 Beam tracker Structure Y • Beam tracker • Upper tracker : シリコンストリップ2層 +  シリコンピクセルアレイ4層 • Bottom tracker :シリコンストリップ 6層 • シリコンピクセルアレイの出力相関による選別 • 各層の最大出力のピクセルの代表値とする. • 1,2層目の平均と4層目の出力の相関をとる • 相関中央から外れるイベントをカット •     ⇒Beam Tracker中で相互作用したイベントを排除 • 相関を45°の直線に射影し分布を作成 • この分布に対し,各領域において四重Gauss分布 •  に当てはめ,±1σの範囲でイベントを選択 X B C N O The distribution of the correlation ma p(45°projected,B~O) Correlation map of Si Pixel (Ave. 1st & 2nd layervs 4th layer) ±σ ±σ ±σ ±σ 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

  6. CHD 0 Signal distribution (before / after selection by Beam tracker) CHD電荷分解能 Beam trackerで選別した各電荷(Z=1~26)について CHDの出力信号分布にガウス関数をあてはめ を算出 Number of events Before selection - 電荷Zにおける中心値 μZ - 電荷Zにおける出力分布の分散 σZ B C N O MIPS CHD 0 Signal distribution(B,C) CHD 0 Signal distribution(Mn,Fe) Mnμ25 : 392.8 σ25: 9.81 Feμ26 : 418.6 σ26 : 9.86 B μ5 : 27.3 σ5: 1.81 C μ6 : 38.0 σ6: 2.19 Number of events Number of events Mn Fe B C MIPS MIPS 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

  7. CHD電荷分解能 • Beam Trackerで選別した各電荷(Z=1~26)について, CHDの出力信号の分布から求めたμZ,σZから, 電荷分解能を以下のように定義 R:電荷分解能 σZ:電荷Zにおける出力分布の分散 μZ:電荷Zにおける中心値 Charge resolution(CHD0) R[e] CHD0(ビーム上流側)の電荷分解能 B,C: ~0.2e Fe : 0.38e Preliminary Z[e] 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

  8. B/C比観測感度 Distribution of B and C (800~1600GeV/n) B,Cの電荷分解能から 観測可能エネルギー領域を推定 4.8σ6 4.8σ6 Bの平均値に対し Cの平均値が4.8σ6 分離 B B C C Cによる分布の漏れ込みがσBの範囲に入る割合はCのイベント数に対して7.24×10-5 B/Cエネルギー依存性 5年間の観測で TeV領域までのB/Cの測定が可能 B/C ratio∝E-δ →δを±0.05 程度で推定可能 δ=0.3 δ=0.6 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

  9. 観測ダイナミックレンジ Fh: 0.41±0.003 Bs : 7.70±0.07 ×10-3 • SPSでの照射実験の鉄核測定に基づいて • ADCの上限値で限定される • Z=26 →~14,000 ADU • クエンチングの式(Tarle’s formula) • にて概算  • ⇒ Z ~ 40 までの測定が可能 *Tarle et.al, The Astrophysical Journal 230 (1979) 607 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

  10. まとめ • CERN SPS Heavy Ion Run データ解析 (シリコン検出器を用いたイベント選別) • 電荷分解能(Preliminary) • B,C領域→~0.2e • 4.8σC(NBへの漏れ込みは~Nc×10-4) • B/CRetio∝E-δ, δ± 0.05程度で推定可能 • High Z →〜0.35e • ダイナミックレンジは超重核(Z~40)の観測が可能 • 観測に向けて • 電荷検出性能のエネルギー依存性について • 実験データのより詳細な解析&シミュレーションスタディ • 前方物質の影響について • 解析手法の改良 • CHDを2層用いる方法 • SciFiを用いる方法 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

  11. END 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

  12. CALET-CHDの観測目的 宇宙線エネルギースペクトルのKnee領域: 1015~1016eV  →衝撃波加速モデル:加速限界が電荷に依存 Emax〜100×Z [TeV]* エネルギースペクトルは電荷増大と共に冪が小さくなる →電荷増大で断面積が大きくなり、磁場からの 漏れ出し前に相互作用 *Cesarsky & Lagage(1981) 核種ごとのエネルギースペクトル観測 →電荷に依存した折れ曲がりの有無の検証 HIMAC(放医研),SPS(CERN)において,重粒子照射実験を行い,CHDの電荷測定性能を検証 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

  13. 電荷選別手法① • MTXのPIXELでの通過位置によってイベントを選別 • (MTX0+MTX1)/2(=T)とMTX3(=B)が |(T-B) /(T+B)|<0.15   となるイベントを選別 • T, BのScatterPlotを45°の直線に射影しヒストグラムを作成し、ガウス関数をFitしてPeak±1σの範囲で電荷を識別 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

  14. 電荷選別手法① • MTXのPIXELでの通過位置によってイベントを選別 • (MTX0+MTX1)/2(=T)とMTX3(=B)が |(T-B) /(T+B)|<0.15   となるイベントを選別 • T, BのScatterPlotを45°の直線に射影しヒストグラムを作成し、ガウス関数をFitしてPeak±1σの範囲で電荷を識別 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

  15. Charge resolution of MTX 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

  16. CHD電荷分解能(@ICRC2013) 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

  17. Chi2/ndf:1.39976 Peak:27.3289±0.038716 Sigma:1.78952 ±0.0477753 Chi2/ndf:1.93863 Peak:38.0419 ±0.0338135 Sigma2.18663 ±0.0437589 Chi2/ndf:1.32947 Peak:392.848±0.720586 Sigma: 9.93667 ± 0.762094 Chi2/ndf: 0.85334 Peak: 418.922±0.770675 Sigma:9.57006±0.744359 • CHD0 σZ/(μZ+1-μZ) σZ/(μZ-μZ-1) 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

  18. Chi2/ndf:1.67212 Peak:28.588±0.0622729 Sigma:2.56922 ± 0.0862599 Chi2/ndf: 1.99129 Peak: 39.8833±0.0447144 Sigma2.79925± 0.0594555 Chi2/ndf:0.767813 Peak:429.592±0.925554 Sigma: 12.7488 ± 0.938563 Chi2/ndf: 1.09997 Peak: 461.646 ±1.46345 Sigma: 15.3955 ±1.63027 • CHD1 σZ/(μZ+1-μZ) σZ/(μZ-μZ-1) 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

  19. 選別後のCHD0とCHD1のScatterplot • 45°に射影したヒストグラム (黒線:解析条件1) B C N O 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

  20. Chi2/ndf:1.26659 Peak: 39.5354±0.0534949 Sigma: 2.32779±0.0688625 Chi2/ndf:0.928851 Peak: 55.1892 ± 0.043887 Sigma 2.8639 ± 0.0555972 Chi2/ndf:1.03567 Peak: 582.227 ± 0.946103 Sigma: 12.2782 ± 0.944408 Chi2/ndf:0.887022 Peak: 619.344±2.03379 Sigma: 17.0124±2.45911 • CHD0&CHD1 σZ/(μZ+1-μZ) σZ/(μZ-μZ-1) 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

  21. Beam Trackerによる核種同定 • Beam Tracker • Upper tracker : シリコンストリップ2層 + シリコンピクセルアレイ4層 • Bottom tracker :シリコンストリップ 6層 Y X Beam Tracker 構造 シリコンストリップの間隔は0.721mmで,粒子飛跡のトラッキングが可能 ピクセルアレイは1cm x 1cmのPIN-PDを用いたシリコン検出器で8 x 8で並べられている シリコンピクセル1,2層目の出力平均と3層目の出力との相関から,入射核種を同定 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

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