TOP COUNTER ( Time of Propagation )

TOP COUNTER(Time of Propagation) 名古屋大学　理学研究科素粒子宇宙物理学専攻高エネルギー物理学研究室栗本　謙

発表の目的 高時間分解能を持つ光検出器のR＆D 　　　・光検出器の性能を測定する　　　・測定するための装置の構築発表概要キーワード① Belle実験 終状態のπ/K粒子識別が重要キーワード② 粒子識別装置 π/K識別を主目的とする検出器キーワード③ TOPカウンター 新型粒子識別装置 Time Of Propagation(光子の伝播時間) 　　　　　　　　　　　　をもちいて粒子識別キーワード④ 高時間分解能光検出器  TOPのために必要

Mt. Tsukuba KEKB Belle 直径～１Ｋｍ Belle実験概要 Belle検出器 3.5 GeV e+ 8 GeV e- 世界最高性能ピーク・ルミノシティ 1.71 x 1034 cm-2s-1 積分ルミノシティ > 710fb-1 KEKB 加速器 : 電子陽電子衝突型加速器 • 非対称エネルギー : 電子 8.0 GeV, 陽電子 3.5 GeV • 重心系エネルギー : ECM = 10.58 GeV • e- e+ ⇒ U(4S) → BB ・ルミノシティ増強・検出器の性能アップ Super B-factory計画中

Super B-factory用検出器 ・Belle検出器の性能アップとは？崩壊後の終状態粒子を精度よく識別することが重要 (電子e、光子γ、陽子p、μ±、π±、K±、Kl) p/Kが識別が困難・TOF ・ACC ・CDC 粒子識別装置現在実装されている p/K識別を主目的とする検出器・粒子識別装置のアップグレード次世代型p/K識別装置TOPカウンターインストール予定位置 TOFカウンター実験グループの目的　　　　　　　　　　よりp/K識別能力の高い検出器　　TOPカウンター 1.5T 1.2m e- 8.0GeV e+ 3.5GeV 2.6m 改良型Belle測定器断面(案)

TOPカウンターの原理① TOPカウンターはチェレンコフ光のリングイメージを利用した粒子識別装置(p/K) 粒子識別の手法運動量と速度の測定(p = bgm) 質量同定粒子識別運動量 ドリフトチェンバーで測定速度粒子識別装置で測定 RICHによる粒子の速度測定高エネルギー荷電粒子が屈折率 nの物質中を通過すると、速度によってのみ決まる方向に光子を放出チェレンコフ光チェレンコフ光の放射角チェレンコフ光のリングイメージを観測することで速度測定(粒子識別)が可能！

p/Kが同じ運動量ではリングの開きが異なるp/Kが同じ運動量ではリングの開きが異なる TOPカウンターの原理② 石英バー光検出器 p/Kが同じ運動量で入射 チェレンコフ光伝播距離の差 光検出器への到達時間の差 π/K粒子の識別光子の伝播時間の情報 y z 石英バーを上から見たとき(ｙ方向) 微小な時間差を識別する高時間分解能光検出器が必要となる x t x 検出光子数～20個 200ps

光検出器 TOPカウンター用光検出器に求められる性能 • 高い時間分解能(１光子に対して40psec以下) • 高いQE(~40%) • 一光子検出が可能 • 磁場中で使用可能(B=1.5T) • 位置分解能(5mm以下) これらの要求を満たす光検出器現在、浜松ホトニクスと共同開発しているマイクロチャンネルプレート型光電子増倍管(MCP-PMT)

いかにMCP-PMTが高時間分解能光検出器 を実現しているか？ 10mm ～400μm ~1cm MCP-PMTの動作原理・特徴 • φ~10mm程度のガラスパイプチャンネルを多数束ねた構造 • チャンネル各々が独立した二次電子増倍部 • Gain~106倍 • 800mmという短い距離で増幅高速応答 • 磁場中(1.5T)でも使用可能

どのような光電面材料でMCP-PMTの検出効率を上げるか？どのような光電面材料でMCP-PMTの検出効率を上げるか？石英中を様々な波長のチェレンコフ光が伝播波長によって群速度が異なる GaAsP光電面(最大QE:~40%) 光検出器での検出光子数～20個長波長側に鋭いピーク検出光子数を増やしたいマルチアルカリ光電面 (最大QE:~20%) QE1光子が光電面に入射し光電効果を起こす確率群速度の波長依存性による時間分解能の悪化を抑えるため高波長領域に感度(QE)の高い GaAsP光電面を採用群速度と波長の関係

GaAsP光電面MCP-PMTプロトタイプ 5mm 20mm プロトタイプ角型MCP-PMT 有効面積比 78% 4chアノード(位置分解能～5mm) このMCP-PMTが要求される性能(特に時間分解能) を満たしているか検査するため、次のような測定を行なった

MCP-PMT NDフィルター光ファイバー Black Boxの中 PLP 測定項目 • １光子検出可能か？ • Gain(増幅率) • 時間分解能σ 光学系セットアップ BLACK BOX 光ファイバー ND filter 電気信号光光 MCP-PMT HPKco. PLP 波長408nm ジッター<±10ps pulse width~50ps (FWHM) レーザーの光はND filterを使いsingle photo-electronレベルまで減光させた

回路系セットアップ PC CAMAC (daq system) NIMクレート HPKco. High Speed AMP Gain36dB(~63倍) 帯域幅1.5GHz 光 ND filter ファイバー MCP-PMT 光 Camacクレート ADCとTDCはCamac クレートに設置 (PCによって制御) 可変Attenuater 1~11dB 帯域幅18GHz ADC0.25pC/count TDC25psec/count 帯域の狭い機器を使用するとシグナルの高周波成分が落ちる　シグナルの波形がナマる回路系の時間分解能の悪化回路系で使われている機材はなるべく帯域の広いものを仕様回路系の時間分解能 σ~8psec divider,discriminateｒは NIMクレートに設置 SMAケーブル帯域幅18GHz

１光子検出について 出力電荷分布１光子ピーク 500mV/div １光子のシグナル (0.25pC/bin) シグナル(~300mV) ノイズ(~10mV) ノイズと１光子シグナルを十分分けることが可能 ADC分布より、一光子ピークが見える出力電荷量のピークからGainを計算 Gain=1.4×10^6 + + １光子検出！！

時間分解能測定 Time Walk Correction 光が出てから、検出されるまでの時間の分布 ⊿ｔ時間のズレ threshold電圧出力電荷量に依存した検出時間分布 Time Walkとは？出力電荷量(ADC)が異なる Threshold電圧を越える時間にズレが生じる補正 σ=35.33psec shift σ<40psec 達成！！

まとめ 測定するための装置の構築回路系の時間分解能σ~8psec プロトタイプ十分な精度で測定できる装置を構築した今回、プロトタイプのMCP-PMT性能測定した結果 • 一光子での時間分解能 35ps • 一光子検出可能 • Gain 1.4×106 TOPカウンターに要求される性能を十分に満たしていることを確認

TOP COUNTER ( Time of Propagation )