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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 )

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TOP COUNTER ( Time of Propagation )

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 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

  3. 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

  4. 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)

  5. 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！

  6. 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

  7. 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)

  8. 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

  9. 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

  10. 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

  11. 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

  12. 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

  13. 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！！

  14. 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！！

  15. 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

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