Development of Liquid Ar TPC @ KEK

Development of Liquid Ar TPC @ KEK Takuya Hasegawa, Takashi Kobayashi, Takasumi Maruyama, Koichiro Nishikawa, Masashi Tanaka

Next Generation n and Nucleon Decay Physics • CP violation in nm→ne oscillation. • beyond q13 • Larger far detector will be needed • p0 reduction will become more important • Proton decay: p→nK+ • SUSY models predict large branching fraction • Charged Kaon identification is important • Liquid Argon TPC is an excellent detector for these particular physics modes • 100 kt LAr detector has comparable sensitivity to 500 kt water cherenkov detector

Ionization Electron 105 e / MeV Slow drift: m/ms@ kV/cm Small diffusion: 3 mm after 20 m drift Drift electron lifetime: O2,H2O contamination No amplification in liquid Ionization Electron E Cherenkov Light Charged Particles Scintillation Light Liquid Argon TPC νμCharged current νeCharged current A. Bueno, et.al.,, hep-ph/0701101

REadout GEM GAr GAS Argon 5kV/cm 20 m Liquid Argon 1 kV/cm E ≈ 3 kV/cm E-field LAr E≈ 1 kV/cm 80 m λ=0.5m/ppb Large Size Detector Recover attenuation after long drift →double phase readout R&D items： Ionization electron readout device/electronics Large vessel、Argon purification、cryostat、HV Analysis technique etc...

KEK R&D Status • Last summer, KEK neutrino group has started R&D effort of the liquid Argon TPC • Still under establishing basic techniques • Helps from KEK • cryogenic/accelerator division • Detector Technology Project (測定器開発室) • Liquid Xenon R&D group • Collaborating with LAr R&D project at ETHZ • Built small test stand to study; • Readout device and electronics • Liquid Argon purity • Short term goal • Establish double phase TPC

Refer ’85 C. Rubbia’s paper 20cmfx25cm test chamber inside an open bath of LAr Liquefy Gas Argon inside test chamber Purify Gas Argon Commercially available filter Oxygen (cupper reductant) Water (molecular sieve) Specification: <10 ppb Hydrosorb Oxysorb Vacuum pump Liquid Ar Gas Ar Test Chamber Open bath KEK Test Stand NIM A241 (1985), 62

Test Chamber Open bath 30cmfx45cm vacuum vessel super insulator Test chamber: CF253 flange Port: signal/HV/Gas input/Vacuum

Simple ion chamber 10cmx10cm Cu plates 5 cm distance -2 kV HV (cathode) Trigger counter select events pass through the detector Oscilloscope readout no amplification 1 MW coupling readout t ~ 400 ms (>> drift time ~50 ms) Observed signal Blue: Trigger signal Yellow: Anode signal Took data for ~20 hors ~650 trigger events Ion chamber

Integrate the oscilloscope waveform to estimate signal charge Integration cutoff 200—600 ms 40% pedestal event (trigger coverage is larger than the detector) Divide data into 4 time periods No major degradation t ~ 50 – 100 hours Signal Charge 200 ms 400 ms 600 ms w/o pedestal with pedestal

Signal charge is sensitive to the drift electron attenuation Simple toy MC to estimate the signal charge for different attenuation length, then compare with the data Signal charge distribution Cosmic data (red) MC prediction (black) Data and MC shows the best agreement with no attenuation This analysis is an estimation of absolute signal yield large systematic uncertainty (~50%) >5 cm (10 ppb) after considering the systematics Drift Electron Attenuation 5 cm

purification and liquefaction Purity monitor Observe Cosmic muon (simple ion chamber) TPC readout electronics 2D wire chamber Establish 1 phase TPC Extraction Grid Strip/Pad readout GEM basic properties Establish double phase TPC completed ongoing major milestone R&D Strategy at KEK Test Stand

Summary • As a candidate of next generation neutrino/nucleon decay detector, KEK neutrino group is interested in Liquid Argon TPC. • We have built a 10L test chamber • Successfully observed cosmic muons • Took data for ~20 hours without major degradation of the signal • Comparison of the signal charge between data and MC prediction shows we have already obtained good liquid Argon purity (<10 ppb) • Short term plan • Establish double phase TPC with 10L chamber

Backup

まずは、安価な窒素を用いて液化能力の検証を行った。まずは、安価な窒素を用いて液化能力の検証を行った。テスト容器を液体窒素で満たした浴槽に固定する気体窒素をテスト容器内に送り込む容器内の圧力は1.4気圧程度容器内に挿入した液面計で液化速度を測定。使用した気体量から液体量を推測することも可能。 1時間当たりに 4 cm、1.3L　の液体を生成 20 kgf/cm2、1m3の気体を使用当面の実験には十分な液化速度が得られた液化速度を改善する方法液化時の容器内圧力を上げる浴槽中の液体とテスト容器の熱交換の効率を上げる液化能力テスト

油回転ポンプ＋ターボ分子ポンプ 油回転ポンプはオイルの逆流が問題となるので、ドライスクロールポンプを購入予定ターボ分子ポンプをできるかぎり容器に近づけることにより、達成真空度は飛躍的に向上する。リボンヒーターにより容器を100℃までベーキング到達真空度（20℃）: 6x10-4 Pa アウトガス速度: 0.2 Pa/hour テスト容器を液体アルゴンに完全に浸した場合、真空が大きく破れるガスケット(銅)とフランジ(SUS)の熱膨張率の違いから生じた隙間に、液体アルゴンが入り込み容器内で気化していると思われる。液体アルゴンの液面をフランジよりも下に保って実験を行うことにする真空テスト真空度(Pa) 液面がフランジに到達する時間

10cmx10cmの二枚の銅板を平行に間隔5cmで並べた単純な検出器10cmx10cmの二枚の銅板を平行に間隔5cmで並べた単純な検出器下側銅板(カソード)に高電圧(-2kV) 上側銅板(アノード)より信号読み出し期待される信号 dに生じた電荷Qが速度vで銅板間を動く場合宇宙線が検出器を突き抜けた場合 Q=5(cm)x3(MeV/cm)/24(eV/電子)=6.3x105電子相当読み出される信号電荷量: Q/2 ドリフト電子の減衰がある場合、信号電荷は少なくなる d 電荷Q 速度v D Qd/D Qv/D -HV d/v Q/2 Qv/D D D/v -HV 平行板検出器

二相読み出しの研究 • アルゴンの液相から気相にドリフト電子をとりだす。 • どのように電場を形成するか • 取り出しグリッドの最適化 • 液面の高さの制御 • 読み出しエレクトロニクス • 増幅/ADC/バッファリング/トリガー/データ書き出し　一連の読み出し • 実際に宇宙線の飛跡を再構成する • CAENの液体アルゴンに特化したシステムの使用を検討している　（もしくはAMPTEK） CAEN SY2791液体アルゴン用読み出しシステム(256 ch) hep-ph/0811.3384

循環・純化装置 GEM • カーボン製のGEM（林栄製）　　→　放電しにくい特徴がある。　　→　高圧印加後の時間安定性なども課題。ゲッタポンプ • まずは必要かどうか判断 • 左図　（循環純化装置の例）　　→　ゲッターと呼ばれるフィルタ　　→　気体循環ポンプ • 右図　　→　浴槽を使うスキームを使う場合、冷却能力を上げるための工夫

Development of Liquid Ar TPC @ KEK