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理化学研究所　岩崎先端中間子研究室 板橋　健太

シリコンドリフト検出器とフラッシュ ADC を用いた K 中間子ヘリウム原子 X 線測定システム. 理化学研究所　岩崎先端中間子研究室 板橋　健太. Ｋ中間子ヘリウム原子精密分光. K 中間子原子の 3d →2p 遷移 X 線測定. K 中間子⇔原子核の相互作用を決定. 測定原理. - K - を液体ヘリウム標的に止めて 脱励起過程で放出される X 線を計測 原子核吸収の後放出される荷電粒子も 計測することで標的内部での事象のみ選択. ドリフトチェンバー. 実験セットアップ.

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  1. シリコンドリフト検出器とフラッシュADCを用いたシリコンドリフト検出器とフラッシュADCを用いた K中間子ヘリウム原子X線測定システム 理化学研究所　岩崎先端中間子研究室 板橋　健太

  2. Ｋ中間子ヘリウム原子精密分光 K中間子原子の 3d →2p 遷移X線測定 K中間子⇔原子核の相互作用を決定 測定原理 • - K-を液体ヘリウム標的に止めて • 脱励起過程で放出される X 線を計測 • 原子核吸収の後放出される荷電粒子も • 計測することで標的内部での事象のみ選択 ドリフトチェンバー

  3. 実験セットアップ 中性子・陽子 TOF 検出 KEK 12GeV PS K5 ビームライン π／陽子トリガ・トラッキング E549(Deep K) のセットアップ+標的周辺のみ改造

  4. 標的周辺 X線検出器 SDD　８基 プリアンプ (21pSD-8 竜野、岡田等) Shaping time 0.2 ms ---トリガ用 0.1, 3 ms --- FOUT,OUT (エネルギー計測用) Shaping Amp ADC

  5. X線測定器系に対する要求 何 keV の X 線… 約 2～10 keV どのくらいの精度が欲しいのか… ±1 ~ 2 eV @ (3d→2p) E549 (Deep K)実験のセットアップは… なるべく流用 トリガ条件は… K-入射 × 荷電粒子横跳ね　× SDD ヒット Deep K と同じ⇔ Deep K と同時に走りたい E549 と干渉しない工夫 （邪魔をしない…）

  6. つまり DAQ も E549 と干渉しない工夫が必要…

  7. E549側の DAQ は… 約3000 ch → TKO SCH-SMP x 7 → 900 トリガ／スピル(0.7秒) X線分光= E549 + 80 ch 程度 SDD のシグナル 8ch x 2 種類(FOUT + OUT) x (P.H. ADC [逐次比較+ウイルキンソン] + TDC) +scaler… に加えて、精密分光を達成するため なるべく多くの キャリブレーションデータが必要 SDD のセルフトリガで Flash ADC でもデータ取得…

  8. Flash ADC に求められる性能 ○立ち上がり1 ms のシグナルで 十分なポイント数 ○十分な bit 数 ○>1 kHz のトリガを高いライブレートで 　　なるべく多くの較正ピークデータを取得 ○…そして、既存のDAQを邪魔しない構成 既存の DAQ (TKO) には変更を加えずに 独立した高速の DAQ を構成 トリガ 通常は SDD のセルフトリガでデータ取得 但し TKO トリガ = (K入射 x 荷電粒子が横跳ね) 且つ SDD hit の場合は、こちらのトリガを優先して取得 NIM のロジックで作成…

  9. 典型的な波形データ FOUT x 10 OUT データポイント SIS3301 Flash ADC (SIS 社製) VME, 8ch, 105MHz, 14bit, Dual buffer 0-5 V dynamic range User bit (フロントパネルのNIM入力の真／偽)も同時に記録 ○ トリガディシジョンが遅くても(~1 ms)大丈夫 → 複雑なトリガ条件でも対応可能 ○ イベントにフラグが立てられる(セルフトリガと「K入射 x 荷電粒子横跳ね」を区別可能) 問題は、同期… ほぼ独立にデータを取っているので、オフラインでイベント照合しなければならない • User bit によるイベント識別 + イベントの発生時間による照合 • Function Generator (遅いSin波) の信号を Flash ADC と TKO P.H. ADC に • 　　　　　同時にフィードすることで照合を確認

  10. 1. イベントの発生時間による照合 ○ スピルごとにイベントを照合 ○ スピル番号(４秒間隔)は、インタラプトのかかった PC上の時間から再構成 ○スピルの直前に TKO/F-ADC 両方を veto した後、同時にトリガを送出(空読み) →　スピル先頭で同期を保障 ○ TKO 側のイベント発生時間は100 kHz クロックをTKOスケーラーでカウントして イベント間隔を計測 ○ Flash ADC 側のイベント発生時間は内蔵の 105 MHz クロックのデータを利用

  11. TKO/F-ADCどちらかに照合できない余計なイベントがある場合の例TKO/F-ADCどちらかに照合できない余計なイベントがある場合の例 赤Flash ADC 黒 TKO 拡大 余計なイベントの判定をプログラムで行い… 空読み

  12. 2. Function Generator(遅いSin波) の信号で、 実際に照合した結果は… Run 333 (170395 イベント) 100 % イベント照合成功

  13. エネルギースペクトルの導出 ピーク付近 16 点を 2 次の多項式でフィット

  14. Flash ADC ほぼ Consistent? TKO P.H. ADC もっと詳しい波形の解析→分解能の評価などはこれからの予定

  15. Flash ADC に期待される効能(1) レートが低い場合 レートが高いとスペクトルがゆがむ ⇔　パイルアップ？ レートが高い場合

  16. 少なくとも、パイルアップの除去には使用可能少なくとも、パイルアップの除去には使用可能 ソフトでほぼ 100 % 判別可能

  17. Flash ADC に期待される効能(2) 恐らく、Differential Non Linearity に ADC の”癖” が残りにくい Flash ADC は数点をフィットしてピーク位置を求める Function Generator (Sin 波)

  18. まとめ SDD + Flash ADC を 用いてK中間子ヘリウムX 線の測定を行った TKO P.H. ADC ベースのシステムと Flash ADC の二つのシステムで ほぼ独立してデータ収集を行い、両者の間のイベント照合に成功した DNL、分解能、安定性 などのスタディを進行中であるが、TKO ベースの システムとイベント照合できたことにより、少なくとも現在問題となっている パイルアップの除去については威力を発揮しそう J-PARC E-17 「K中間子ヘリウム３原子X線分光実験」に向けてより詳しいスタディ さらに将来的には 独立した DAQ 間のイベント照合　 　　⇒ 検出器ごとの時間定数に従って、トリガレスでデータ収集し、実験後に時系列に 従ってコインシデンス解析を行う、フルパイプラインシステム

  19. KEK-PS E570 Collaboration G. Beer1, H. Bhang2, M. Cargnelli3, J. Chiba4, S. Choi2, C. Curceanu5, Y. Fukuda6, T. Hanaki4, R. S. Hayano7, M. Iio8, T. Ishikawa7, S. Ishimoto9, T. Ishiwatari3, K. Itahashi8, M. Iwai9, M. Iwasaki8, B. Juhasz3, P. Kienle3, J. Marton3, Y. Matsuda8, H. Ohnishi8, S. Okada8, H. Outa8, M. Sato6, P. Schmid3, S. Suzuki9, T. Suzuki8, H. Tatsuno7, D. Tomono8, E. Widmann3, T. Yamazaki8, H. Yim2, J. Zmeskal3 Victoria Univ.1, SNU2, SMI3, TUS4, INFN(LNF)5, Tokyo Tech6, Univ. of Tokyo7, RIKEN8, KEK9

  20. スペア

  21. 今後の実験？ ・次に、何がしたいか? JPARCで ・K-3He原子 3d-2p X線観測 --- 残っている可能性も ・少数系での完全実験 ＝ 生成・崩壊を同時に押さえる ・重い核へ ＝ 核子安定か? ・ KK状態探索 　　＝ 何処を探せば良い? 　　＝ H、ハイパー核? cf. Kは核を選ばずpp対を見つける? FINUDA

  22. Embedding K？ ・Deep! ~ 100 MeV cf: B ~ 10 MeV ・Narrow! ~ 20 MeV = meta-stable ・Shrink! !!!YES!!! = high density? ☞hadron mass ☞astronomical study

  23. まず現状... K束縛核(=K中間子が原子核に束縛された状態)観測実験 生成反応 4He(stopped K-,N) 密度～normal nuclear density の数倍？ →　例えば、カイラル対称性について貴重なデータ

  24. まず現状... K束縛核(=K中間子が原子核に束縛された状態)観測実験 生成反応 4He(stopped K-,N) KEK-PS E471, E549 @ K5 ・陽子に顕著 観測されたシグナル ・semi-inclusive ! ・中性子で観測したより軽い ・幅は、非常に狭いf ストレンジトライバリオン の発見！?

  25. J-PARC では • 標的に 3He, 9Be 等、系統的な研究 • K 二個入り原子核 • 生成・崩壊に関与する粒子を全て計測する完全実験 ・3He標的 Spectator? Ａｋａｉｓｈｉ Ｓ0のアナログ状態生成 (Ｓ0とのエネルギー差?)

  26. J-PARC での実験条件 L-10, K1.1ビームライン K = 900 MeV/c, 10 M/spill K/p ~ 1 生成反応は？ (K-,p) , (p+, K+), (K-, n) ??? 3He(K-, p-) • 質量欠損スペクトロスコピー • タギングも必要　　　 検出器 • 入り口に、シンチアレイと • 　　チェンバーが２セット • 出口にも２セットと PID 用の • 　　チェレンコフか何か • 標的の周りにタグ用の CDS • っぽいもの 500~600 MeV/c

  27. 検出器とチャネル数 Beamline Spectrometer 前後(最大30 MHz 程度) チェンバー MWDCx 4 セット XX'UU'VV' 200 x 100 @ 2 mm スペーシング = 100 x 6 x 4 = 2400 ch シンチ (25 ストリップx2 層x2台？) 200 ch ----------------------------------------------------------- ワイヤあたり 300 ～ 500 kHz 程度　←　ちょっと厳しい？MWPC? カウンターストリップあたり 2 MHz 程度　←　小さなPMT では厳しいかも SPESII 前後(入り口最大30 MHz~出口側数MHz?) チェンバー　MWDC (6層 XX'X'YY'Y) 入口側 2 台 200 x 200 @ 2mm = 100 x 6 x 2 = 1200 ch 　出口側 2 台 1000 x 1000 @ 10mm = 100 x 6 x 2 = 1200 ch シンチ＋チェレンコフ 2x100 PMT 400 ch程度 ----------------------------------------------------------- ワイヤあたり 入口で 300 ～ 500 kHz 程度 出口は 数十kHz 程度 カウンターストリップあたり 数十kHz 程度

  28. CDS 崩壊粒子の運動量(~300MeV/c) 、シングルレートは数～数十MHz程度以下 立体角を最大化したい ソレノイドの中に入れて、運動量を分析したい SSD を入れるには、崩壊粒子の運動量が小さすぎるしレートが低いはず RTPC/BoNuS@JLab っぽいもの? Pad 読み出しなら 4000 ch Stereo Strip なら 500 ch 位? ←何か考えが必要 CDC (Pad 読み出しRTPC と両立しないのでは？) r<150 @ 20 mm x 6 層 →　ワイヤあたり 100 kHz 以下 360 ch 位? トリガ用シンチ 100ch 位? r=7.5~9.5 cm, z= 30 cm 図は以下より引用 BoNus/JLAB http://www.jlab.org/~hcf/bonus/

  29. まとめ Beamline Spectrometer 前後~ 2,500 ch SPESII 前後 ~ 2,500 ch CDS ~ 1,000 ~ 5,000 ch ---------------------------------------------------------------------- 総計TDC 6,000~10,000 ch QDC 3,500~7,500 ch TKO なら HRTDC ~ 1,000 ch 以下 Dr.T かマルチヒット(TMC?) ~ 5,000 ～ 9,000 ch ADC ~ 3,000 ～ 7,000 ch • 高密度、高速コンバージョン • でも、クレート前から差すのは避けたい． • 他の装置と連携できるように、いろいろな種類のモジュールと • 　簡単かつ、より柔軟な SDS のシステム

  30. こんな DAQほしいかも • 　検出器ごとに近くでデジタル化 • 　　ケーブルの引き回しが無くて楽 • (というかノイズが乗りにくいし) • 　トリガレス (セルフトリガ) • 　　取りっ放し、書きっぱなし、取得率 100 % • 　高精度の時計内蔵 • 　　グローバルな時間に変換して • 　　イベントビルドは後ほど． 多分、時計自身の設計と、とにかく同期を取るのが大変 多分、高くつく．データ量も多い．　 簡単ならみんな、もうやっている． 以上です．

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