CALET-TASC プロトタイプの CERN-SPS による性能実証試験

1. CALET-TASCプロトタイプのCERN-SPSによる性能実証試験CALET-TASCプロトタイプのCERN-SPSによる性能実証試験 早大理工研、神奈川大工A、横国大工B、JAXA/SEUCC、東大宇宙線研D 片平亮、植山良貴、小澤俊介、笠原克昌、金子翔伍、小谷太郎、鳥居祥二、中川友進、中村政則、　　　　　仁井田多絵、村田彬、吉田圭佑、田村忠久A、　　　　　片寄祐作B、清水雄輝C、赤池陽水D、他CALETチーム 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学 13aSP-6

2. 研究概要 • CALETプロトタイプを用いたCERN-SPS加速器のビーム実験による較正 • 粒子数換算 • 出力の温度補正 • 実験結果とシミュレーションの比較 • シミュレーションコードはEPICS、Geant4を使用 • 以下の値について、実験値とシミュレーションで比較 • 粒子数分布 • エネルギー分解能 • シャワー横拡がり • 電子陽子識別性能 研究目的 CALET-TASCプロトタイプのエネルギー決定精度および電子陽子識別性能の実証 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

3. CALET-TASCプロトタイプの構成 beam Electronic Box IMC PWO+PMT(外側はESR) 78 318 350 460 120 170 [mm] TASC CALET プロトタイプ PWO+APD/PD(外側はESR) • PWO(19mm×20mm×326mm) 3本(X方向のみ)×12層 • 1層目：PMT読み出し(トリガー) • 2層目以降：APD/PD読み出し • PWOの外側は反射材のESRで包装 PWOの本数以外は CALET実機と同じ CALET実機と異なる (16本×12層) Beam方向に対してPWOを12層設置→CALET実機と同じ放射長を再現 27X0 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

4. シミュレーションとイベント選別方法 • シミュレーション • EPICSv9.13(Cosmos v7.62) • ハドロン相互作用モデル: jam、dpmjet3、qgsjet2 • Geant4 v4.94.p03 • ハドロン相互作用モデル: QGSP、FTFP • イベント選別方法 • High Energy Shower Trigger • IMCの7層目+8層目のエネルギー損失 ≧ 15MIPs • TASCの1層目のエネルギー損失 ≧ 55MIPs • 入射位置の選別 • SiTrackerから求めたシャワー軸がTASC中心から±5mm以内のイベントを使用 • コンタミ成分＆マルチヒットイベント除去 • TASCにおけるシャワーの粒子数分布から除去 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

5. Si Trackerを用いたPWOの座標算出 ＊IMCは省略してある • PWOの位置を特定するためにSi TrackerのStripを使用 • TASC各層について、PWOのトリガー効率とSistripの位置の相関からPWO座標を算出 • Si Stripの間隔は0.732mm Si Tracker TASC beam 12本 フィッティング関数 Ttop 1 Ttop 0 Ttop 2 TASC1層目におけるトリガー効率 フィッティング関数のパラメータ(TASC1層目)[cm] 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

6. 粒子数換算 • ミューオンを入射したときの各PWOの出力波高分布に対して、Landau分布にGauss分布を畳み込んだ関数でフィッティング • フィッティング関数のMPの値を1MIPと定義する • ミューオンの出力波高分布のうち、値が0.7MIP以上となる割合は約85%で、前ページのトリガー効率の図とconsistent 0.7MIP Landau分布にGauss分布を畳み込んだ関数 pedestal muon ～85% Gauss分布 あるPWOにおける出力波高分布 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

7. 電子の出力を用いた温度補正 • PWOおよびAPD/PDの温度変化による出力の変化を補正 • TASCに熱電対を取り付け、温度を測定 • 電子150GeVを照射したときの装置の温度と各PWOの出力波高分布のMeanの相関から、温度と出力の相関を求めた • ミューオン照射時のTASCの温度(24.6℃)を基準として、出力値を補正 • シミュレーション(EPICS)と粒子数分布が最も合うのは24.4℃を基準にしたとき→温度測定の誤差：0.2℃ 24.1℃ 24.1℃ 24.2℃ 24.7℃ 25.5℃ 電子 150GeV 電子 150GeV あるPWOにおける温度による出力の変化 あるPWOにおける各温度での出力波高分布 ミューオン照射時のTASCの温度 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

8. 粒子数分布 • 実験結果とシミュレーションで粒子数分布を比較した • 陽子に関しては、異なるハドロン相互作用モデルを用いて比較した Experiment EPICS① dpmjet3 EPICS② phits < 2GeV<jam EPICS③phits < 2GeV<dpmjet3 EPICS④dpmjet3< 80GeV<qgsjet2 Geant4① QGSP Geant4② FTFP Meanは～4%以内の範囲で一致 電子 100GeV 陽子 350GeV EPICS③ phits< 2GeV<dpmjet3 EPICS④ dpmjet3< 80GeV<qgsjet2 EPICS① dpmjet3 EPICS④ dpmjet3< 80GeV<qgsjet2 EPICS② phits < 2GeV<jam Geant4① QGSP Geant4② FTFP Meanは～1%以内の範囲で一致 Exp EPICS Geant4 TASCの粒子数分布の和 TASCの粒子数分布の和 Exp：ミューオン照射時のTASCの温度(24.6℃)を基準に出力を補正 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

9. エネルギー分解能 peak • 最頻値から±34%の範囲に入る分布の幅の半分の長さをエネルギー分解能と定義 • 実験値とシミュレーションは0.4%以内の範囲で一致 34% 34% フィッティング関数 電子 100GeV 系統的誤差 統計的誤差 TASCの粒子数分布の和 フィッティング関数のパラメータ ～0.5%以内の範囲で一致 Exp EPICS Geant4 各エネルギーにおけるエネルギー分解能 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

10. シャワー横拡がり • IMCから求めたシャワー軸を利用して、TASC中のシャワーの横拡がりを算出 • シャワー横拡がりは電子陽子識別の際にパラメータとして使用 実験値とEPICS④は～0.2%の範囲でMeanが一致 Experiment EPICS① dpmjet3 EPICS② phits < 2GeV<jam EPICS③phits < 2GeV<dpmjet3 EPICS④dpmjet3< 80GeV<qgsjet2 Geant4① QGSP Geant4② FTFP EPICS④ dpmjet3< 80GeV<qgsjet2 陽子 350GeV EPICS④ dpmjet3< 80GeV<qgsjet2 EPICS③ phits< 2GeV<dpmjet3 Geant4① QGSP Geant4② FTFP EPICS② phits < 2GeV<jam 電子 100GeV EPICS① dpmjet3 Exp EPICS Geant4 Meanは～2.5%以内の範囲で一致 TASCにおけるシャワー横拡がり TASCにおけるシャワー横拡がり 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

11. 電子陽子識別性能 • 電子100GeVと陽子350GeVを使用して、電子/陽子識別性能を検証 • シャワーの形状の違いを利用 • 　横軸：シャワー横拡がり • 　　縦軸：検出器下部の粒子数分布比 EPICS① dpmjet3 EPICS② phits < 2GeV<jam EPICS③phits < 2GeV<dpmjet3 EPICS④dpmjet3< 80GeV<qgsjet2 Geant4① QGSP Geant4② FTFP 実験 ±2σ 電子残存率と陽子残存率 電子100GeVと陽子350GeVのエネルギー損失 電子と陽子のイベント数と残存率の推移(実験) 実験 電子100GeV・ 陽子350GeV・ 電子100GeV 陽子350GeV 実験値はEPICS②、EPICS④、Geant4②と誤差の範囲で一致 シャワー形状による電子/陽子選別方法 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

12. まとめ • CERN-SPS加速器のビームを用いてCALET-TASCプロトタイプの観測性能実証試験を行った • 実験値とシミュレーションで、以下の値について比較した 実験値と実験値に対するシミュレーションの差(%) 実験値とシミュレーションの電子残存率と陽子残存率 *1dpmjet3< 80GeV<qgsjet2 *2FTFP 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

13. END 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

14. 粒子数分布のMeanの実験値とシミュレーションの差(%)粒子数分布のMeanの実験値とシミュレーションの差(%) 粒子数分布のMeanの実験値とシミュレーションの差(%) 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

15. エネルギー分解能(%) シャワー横拡がりのMeanの実験値とシミュレーションの差(%) シャワー横拡がりのMeanの実験値とシミュレーションの差(%) 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

16. CALET検出器 • <CHD>CHarge Detector • → 電荷測定 • Plastic Scintillator • (32mm×10mm×448mm) • 14本×2層(X,Y) 12層 • <IMC>IMaging Calorimeter • → 入射粒子の飛跡測定、エネルギー測定 • Scintillating Fiber • (1mm×1mm×448mm) • 448本×(X,Y)×8層 • W板 • 0.2X0×5枚+1X0×2枚(合計3X0) APD 16本 16本 PD PbWO4 (PWO)結晶 (SICCAS社) TASC構造図 326mm 20mm • <TASC>Total AbSorption Calorimeter • →エネルギー測定、粒子識別 • PWO(20mm×19mm×326mm) • 16本×(X,Y)×12層(合計27X0) • 1層目：PMT読み出し(トリガー) • 2層目以降：APD/PD読み出し 19mm Φ8mm 13.4 mm PMT(浜松ホトニクス社) APD/PD デュアルパッケージ (浜松ホトニクス社) 19.7mm 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

17. TASCの信号読み出し PD+Low Gain アンプに対する各チャンネルのgain比 13.4mm × × = APD 10×10mm2 × × = = × × 19.7mm PD 2.4×2.4mm2 S10937-9351 （浜松ホトニクス社） × × = ① APD + High Gain アンプ ② APD + Low Gain アンプ ③ PD + High Gain アンプ ④ PD + Low Gain アンプ APD PD 4000 ④ ③ ② ① 400 Effective ADC [ch] 40 APD,PDに各々Gainの異なる回路を用いることで 4 101 102 103 105 106 100 10-1 104 [MIP] 6桁以上のダイナミックレンジを確保 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

18. Landau分布にGauss分布を畳み込んだ関数 ペデスタルのゆらぎをGauss分布を畳み込むことで補正 分布がランダウ分布になると仮定 畳み込み Gauss分布 ・・・ Most Probable Value (MP) Landau分布 Gauss distribution ・・・ Landau distribution Landau分布にGauss分布を畳み込んだ関数 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学

19. CERN-SPS2011実験概要 • Beam Tracker • Si strip(Siの間隔:0.183mm) • 512本(x方向)×4層(z方向) • 512本(y方向)×4層(z方向) • 512本を4本ずつまとめて読み出し • CHD • Plastic Scintillator 4層(z方向) • (38mm×450mm×10mm) • PMT読み出し • IMC • Scifi(1mm×448mm×1mm) • 32本(x方向)×8層(z方向) • 64chMAPMT×4で読み出し • W板　0.2X0×5枚+1X0×2枚 • (合計3X0) CALETプロトタイプの上面図と側面図 実験に使用した粒子とエネルギー 日本物理学会 第69回秋季大会＠京都産業大学