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液体アルゴン TPC 検出器の開発

液体アルゴン TPC 検出器の開発. 早稲田大学 ， KEK A ，岩手大学 B ， ETHZ C 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 ，

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液体アルゴン TPC 検出器の開発

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Presentation Transcript

  1. 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.StrabelC，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

  2. Introduction 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 Ionization Electron 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） E Cherenkov Light Charged Particles 液相 Scintillation Light

  3. 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

  4. J-PARC K1.1BR 実験

  5. 研究動機 • 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） シミュレーション K+340MeV/c Ar中の飛程~ 20 cm 停止直前のK+のdE/dxは大きい！ SimulationStudy(JHEP 0704:041,2007) Background reduction ~105 Kaon efficiency ~97% 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

  6. z y x 250LAr検出器とデータ 時間 ADC count • 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） Anode 75ch 0ch Electric field Particle Drift e e e Ionization Scintillation light e LAr Cathode z 入射粒子の飛跡 x PMT Real Data 停止点 (崩壊点) 崩壊粒子の飛跡 …それぞれシミュレーションデータによる検証が必要。

  7. 取得信号例

  8. 250LArTPC Beam Line Setup LArBDC Fitch Cherenkov (π-ring,K-ring) BDC=Beam Defining Counter …Beam’s Final Focus (FF) Gas Cherenkov TOF2 particle Degrader TOF1 • 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 K,π,p,e 空気 BDC & TOF1 & TOF2 & LArBDC

  9. Simulation Setup (Beam Line) ~5.3m 検出器の物質と厚さ Degrader BDC K Beam TOF2 TOF1 Fitch Cherenkov(FC) 250LAr • 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)

  10. Simulation (K+→μ++νμ) μ+ 250LAr K+ νμ Geant4によるシミュレーションイベント例

  11. Simulation Data Simulation Real シミュレーションデータでTracking Algorithm等の評価を行っている。 TPC Ch10 TPC Ch10

  12. 純度解析 • 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=300s) • 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！ 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 Preliminary Plot τ = 671 – 1.90 ( t - t0 ) 実験開始時　：　τ≒670μs( 約 0.45ppb ) 実験終了時　：　τ≒385μs( 約 0.78ppb ) 毎時 0.002ppb 程度の純度の悪化

  13. ここまでのまとめ（まだ終わりません） • 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。 • Simulationdata(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 • Simulationdata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。

  14. 10LArTPC開発研究@早稲田大学

  15. 暗黒物質探索 • 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 • 　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 anode e- e- e- S2 WIMP e,γ grid particle e- e- S1 e- drift time drift time cathode E (S2 / S1 ) WIMP << ( S2 / S1 ) e,γ PMT1 PMT2 S1・S2の比で背景事象を取り除くことができる。

  16. シンチレーション光観測のセットアップと信号例シンチレーション光観測のセットアップと信号例 induction field • ガスAr中でのS1・S2信号の確認 grid1 anode 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 grid2 α線源 Cathode(grid) cathode 0.8cm 信号例 grid1 S2 S2 0.7cm grid2 S1 induction field 3.2cm ~8μs S1 α線源 drift field e- E 2.0cm PMT

  17. Drift E = 500 V/cm(fixed) S2信号の電場特性 S2 • 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。 S1 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！ Induction 電場とS2の関係 Induction E = 2.6 kV/cm(fixed) 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！ S2 S1 ………定量的な解析は現在遂行中である。 Drift 電場とS2の関係

  18. grid1 GEM + Wire読み出しセットアップ 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。 Wire Drift Field GEM ΔV e- e- e- grid2 Resistance (100MΩ) Condenser(2.2nF) Xe Flash Lamp Cathode -HV 時定数τ=220msのハイパスフィルタ

  19. Gain測定結果 (2) (1) • 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 (1)GEMによる放電 (2)10L容器での放電 ΔVGEM →クエンチャーが入れられないため 放電 しやすい。 参照 現在までに、ガスAr中にて 放電電圧の直前までで、 GEM単体 Gain~89 (ΔVGEM=970V) Wire 電圧 2.0kV/cm : Gain~508 (ΔVGEM = 1000V) 2.5kV/cm : Gain~568 (ΔVGEM = 900V) Wire単体 Gain~38(2.5kV/cm) を達成している。

  20. Summary& Future Plan シンチレーション光 電離電子増幅 10L容器、ガス中にてS2を確認！ 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！ • 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。 次の目標 より高い増幅率に向けて、 • 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！ ※低温でのGain特性も調べる。 低温での高Gain・安定動作を目指す！ これらを組み合わせることで・・・ 2相型TPCとして確立させ、暗黒物質探索を行いたい！

  21. Backup

  22. 探索感度 22

  23. Geant4 Simulation(Beam) x_mean=5.2cm,σx=8.2cm y_mean=0.2cm,σy=8.3cm sx= 0.8 cm sy= 0.5 cm @ BDC(FF，by simulation) from TREK experiment @the front of 250LAr Detector (measurement by scintillation counter) Beam Beam Line ~5m 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。

  24. 擬似データ作成 NQ Anode drift 40cm • 粒子のエネルギー損失をストリップ毎に計算。 • W値から、生じる電離電子数を見積もる。 • ドリフト速度から、ドリフト時間(tDri)を計算。 • 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。 • NQ と tDriから信号を正規分布で生成。 • 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。 • 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。 N0 e e e e e e e e e e e e e e e e e e e K e e e e e μ Electric field Cathode σ= 3.6μs 電子量 t NQ tDri

  25. 宇宙線信号例 シャワーが トリガされた例 宇宙線がほぼ垂直 に抜けた例 （赤線：トリガタイミング） 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 多重散乱で飛跡 がまがっている例 δ線も見える

  26. ノイズ除去について （１）生データ例 （２）FFTによる周波数強度 @ ch8 信号 ノイズ 200kHz以上に 大きなノイズ成分 （３）FFTフィルター前後 @ ch8 （4）FFTフィルタ後 - フィルタ前 - フィルタ後 高周波ノイズが大幅に改善 飛跡がクリアに

  27. ヒット・クラスタ探索手順 ヒット１ ヒット２ • 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） ヒット３ 閾値 ヒット３ ヒット２ ヒット１

  28. Comparison with data Simulation(300事象の重ね合わせ) Real data (300事象の重ね合わせ) Time[μs] • 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）。 300 200 100 0 0 20 40 60 0 20 40 60 TPC Channel TPC Channel

  29. 液面 気液2相型のセットアップと結果 0.8cm 白金抵抗1 • 気・液2相のAr中でのS1・S2信号の確認 grid1 anode extraction field 0.7cm 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。 grid2 白金抵抗2 • 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 ) 3.2cm drift field α線源 E 2.0cm 液面 : grid2 から 0.3cm drift電場 : 900V/cm 固定 PMT cathode 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。 S1 S1 extraction E 6kV/cm extraction E 0 V/cm 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。 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。) JINST 5:P05003,2010

  30. 10LArTPC中のPMT Hamamatsu R6041-06MOD 変換剤：TPB(テトラフェニルブタジエン)

  31. ドリフト電場とドリフト速度の関係

  32. シンチレーション光(S1・S2に関して) anode S1 S2 S2 S1 e- 光電効果 cathode 0.8cm grid1 S2 0.7cm grid2 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。 3.2cm S1 α線源 e- E 2.0cm PMT

  33. 電離電子増幅 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。 5kV/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 ArDMgroup) →電荷量1.6e-3[fc] 1kV/cm PreAmp(Amptek A250) input charge 1fC → output height 1mV Recoil Energy (MeV) 暗黒物質探索のためには、Gainが~1000必要！ 増幅のためのツール 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 厚型GEM (T-GEM-100-400/700) 穴径 : 300 μm ピッチ :700 μm 厚み : 400 μm

  34. GEM + Wire読み出しセットアップ

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