液体ArTPC3次元イメージ測定器

液体アルゴン３次元飛跡イメー
ジング検出器
丸山 和純 （ＫＥＫ）
液体アルゴン３次元飛跡イメージング検出器
•
•
現代版電子“泡箱検出器”
高位置分解能飛跡検出器（～１ｍｍ分解能）
65 cm
– 正確な事象形態を測定できる。
– 低い運動量の粒子から測定可能
•
局所的なエネルギー損失を測定可能
– dE/dxと飛跡レンジ（距離）による粒子識別
– 電子とπ０中間子事象の区別
•
フルサンプリングで、全方位均一物質
e50 cm
p
MC νe CC, Eν=0.730 GeV
– エネルギー再構成能力が優れている。
pion
40 cm
MC single π0, E=0.5 GeV
positron
proton
Test-Beam data
0.8 GeV/c
76 cm
目で見て分かる素粒子検出器の現代版
原理

電離電子信号を使った３次元イメージング

電離電子

電場
チェレンコフ光

荷電粒子

シンチレーション光(128nm)

２次元陽極読み出し＋ドリフト時間情報を使
用し、３次元飛跡再構成が可能。
ただし、電離される電子数は少ない。ガスと
違って増幅もない； ~1fC /mm@ MIP →
良いプリアンプが必要。
～kV/cmの電場により ～2mm/μsでドリフト
→ 速度が遅いので、長距離ドリフトさせる検
出器は高いレートの測定に向かない。
→ ニュートリノのように検出頻度が低い測
定や地下実験向き。
→ カロリメータ等に使うときは、ドリフト距離
を短くし、ドリフト時間を短縮。
高純度液体アルゴンが必要。（1ppb酸素相
当純度の液体アルゴンでドリフト電子が60cm
進むと1/eに数が減衰）
ドリフト電子の拡散はガスと違って小さい。

•
40cmドリフト後で0.3mm
電離電子の他に、シンチレーション光も使う
暗黒物質探索実験も最近はさかん。
水と液体アルゴンの性質の違い
Water
Liquid Argon
1
1.4
Radiation length (cm)
36.1
14.0
Interaction length (cm)
83.6
83.6
dE/dx (MeV/cm)
1.9
2.1
Refractive index (visible)
1.33
1.24
Cerenkov angle
42°
Density (g/cm3)
≈160 eV−1 cm−1
≈130 eV−1 cm−1
Muon Cerenkov
threshold (p in MeV/c)
120
140
Scintillation
No
Yes
(≈50000 γ/MeV @ λ=128nm)
100yen/liter
(Evian)
100yen/liter
Cerenkov d2N/dEdx (β=1)
Cost
G.Alberto’s slide
In neutrino 2010
（現存・稼働する世界で最大の電子泡箱検出器）
世界に広がる巨大電子泡箱（米国と欧州）
• 米国: LBNE
– 0.7MW(MI)2.4MW(Prj-X) –(1300km) 液体アルゴン３次元
飛跡イメージング検出器を Homestakeに。
– ステージングアプローチ； 10kt 検出器を地表に  DOE CD-1
• 追加の予算が出たら地下へ。
• 欧州（ＥＵ）
– 最優先オプション: CERN -2300km20kt in Pyhasami (finland)
– 長距離を活かし質量階層性へ良い感度
US
Y.K.Kim
LBNE
6
ニュートリノ物理への応用
• ３次元飛跡を１つずつ測定可能
– Inclusive でなく、exclusiveな測定が可能。特に
νµ+n  µ+p+X のような非弾性散乱測定が得意。
– カロリーメータと違い、粒子飛跡１本ずつを同定し
ながらエネルギーを測定することが可能。→
ニュートリノ振動はEn/Lの関数なので、ニュートリ
ノエネルギーを精度良く測定できる検出器が良い。
– 通常のカロリーメータと比較して、どこまでエネル
ギー分解能が良くなるか？
– e/µ/π/K/p識別が得意。
– これらの利点はＭＣだけでなく実験的に証明する
必要がある。→ 荷電粒子ビームテストをやる動
機に。
エネルギー再構成方法
• エネルギー再構成の方法
(1) 個々の飛跡のΣdE/dxを足しあ
げる
(2) 識別された個別の粒子の質
量は別途足しあげる
弾性散乱事象のみならず非
弾性散乱事象も解析に使う
ことが可能
 広いニュートリノエネルギー領
域で使用することができる。
 解析できる事象数が増加
 粒子識別やエネルギー分
解能についてはＭＣだけで
なく実験的な検証が必要。
日本における開発の現状(2008-2013)
•
•
•
•
•
•
•
良く理解された0.2～0.8GeV/cの荷電
粒子、e/π/p/Kを用いたビームテスト
を達成(J-PARC T32 in 2010）、計画
（T49 in 2013).
総重量~400kgを持つプロトタイプを使
用。
１次元１ｃｍストリップを用いたＴ３２実
験データの解析(2011/12)
2011年から2013年に、（Ａ）純度、（Ｂ）
印加ドリフト電場、（Ｃ）読み出しを改
良し、次回ビームテスト（J-PARC T49,
2013年5-6月）を行う予定。
純度；～0.8ppb(2010)  ～0.4ppb
(2012)
安定印加可能電圧；9kV (2010)  >
30kV (2012)
1次元１ｃｍストリップ読み出し(2010)
 2次元4mmピッチ読み出し（2013）
４月23日から宇宙線を使った最終的
なテスト。
Parameters @ T32
Fiducial mass
170kg
Total LAr mass
~400kg
Fiducial volume
40cm x 40cm x 76cm
Typical HV@cathode
9kV
#of readout channels
76 strips (1cm)
76 strips (1cm) anode
drift
PMT
2010 Oct beam-test
・degrading momentum
using Lead Glass and
Lead block
・beam width @ deg.
σx~8cm, σY~6cm
particle
Particle Identification
・ΔTOF(K)>ΔTOF(π)
・Fitch Cherenkov
Gas Cherenkov
Cherenkov
(Beam Defining Counter)
proton
(200ps
resolution)
BDC T32
Gas Cherenkov
(200ps
resolution)
LG
Accumulated samples in 2010
•
7000 540MeV/c K+ events
•
(800MeV/c w/ 2 Lead Glasses)
•
35000 680MeV/c K+ events
K1.1BR • (w/ one LG)
•
40000 630MeV/c K+
•
(w/ 1 LG and 1 Lead Block)
•
70000 200MeV/c π+ events w/o degraders
•
2500 800MeV/c e+ events
3.5m
•
1500 800MeV/c proton events
Concrete
10
block
MIP particles (800MeV/c π)
Through going pions
 Through-going pions (~MIP) is used to compare
data and MC after including all effects to MC
simulation.
Channel
gain
correction
DATA
MC
Signal Charge
( ADC*μs)
Charge distribution in each channel is fit by Landau + Gaussian, and the11
correction is applied based on the MPV value. (data and MC, separately)
Kaon data (in old test-beam)
•
individual
Hit charge
(all hits)
We see the reasonable
agreement between
data and MC:
– Hit charge (all channel)
– Stooped channel (=range)
– Hit charge as a function of
distance from stopped
point.
– And their ratio.
Range
Data/MC
(mean FADC)
Charge
at stopped
point
Charge
at stopped
point -7cm
Data/MC
of charge
2次元4mm読み出し（2013）
To connector
To connector
A1
A2
A3
A4
B1
B2
B3
B4
C1
C2
C3
C4
0.2mm
D1
D2
D3
D4
0.8mm
0.8mm
0.8mm pads
0.2mm space
KEK electronics group helps this
as KEK “Open-It “ project.
(Manobu Tanaka, T.Uchida, M.Ikeno)
可能なランタイム（2013年5～6月）
粒子
運動量
統計
コメント
π+
800MeV/c
20000
較正用ラン
300MeV/c
100000
dE/dxを使った粒子識別、崩壊
からのeを使った較正
p
800(or 900)
MeV/c
50000
高dE/dx測定
K+
600MeV/c
100000
dE/dx を使った粒子識別、崩壊
からのμを使った較正
e+
150MeV/c
50000
エネルギー分解能測定
約１週間の物理ラン時間
– 再結合やドリフト速度の確認のため高電圧も変える予定。
– K+ の運動量は変わるかも。
大きな検出器を作るには
•
ドリフト電子は酸素、窒素、水分等の不純物によって、ドリフト中に減衰してし
まう。→ 良い純化（循環）システムが必要。
– ドリフト電子の寿命と純度の関係は次の式で表せる;
τ (µs) ~ 300 / purity (ppb).
– 右下図；減衰を示す。例えば、５ｍ電子がドリフトする検出器を作成しようとすると、
酸素相当で0.2ppbよりずっと良い純度が必要。→ どのドリフト距離を選ぶのか？
– ICARUSでは 1.5ｍ電子ドリフトに対し 0.06 ppb純度を達成。
•
高電場 （＝高電圧印加システム）
– 再結合や減衰を減らすために、500V/cm 以上のドリフト電場を作ることが望ましい
とされている。
– 例えば5mのドリフトには250kVの電圧が必要。
– ICARUS は500V/cm(75kV)でオペレーション中。
– 特に、ガスアルゴン中の放電に気を付ける必要
•
•
良い信号／ノイズ比。 → 良い増幅器が必要
これらの技術をよりリーズナブルなコストで。
– ＩＣＡＲＵＳは完成された検出器だが高価すぎる。更
なるコストダウンが必要。
•
より高いエネルギーの粒子に対する検出器応答
の実験的な検証も重要。
A.Rubbia
(neutrino2012)
暗黒物質探索への応用例（気液2相型）
光読み出し
素子
anode
Gas
暗黒物質
(WIMP)
Liquid
S1とS2の光量比を用いて
信号と背景事象を分離
e-
ee-
二次シンチ光
(S2)
drift
取り出し電場
>3 kV/cm
ドリフト電場
~ kV/cm
e-
e-
e-
DM
入射
γ
入射
一次シンチ光
(S1)
time
eS1
S2
e-
time
S1の信号波形を用いて
信号と背景事象を分離
早い成分 ～6 ns
遅い成分 ～1.5 μs
cathode
○光・電離電子数: 50 /keV
○「シンチ光」と「電離電子」を同じ光読
み出し素子で検出
○高い背景事象除去能力（Ｓ１/Ｓ２比
＋シンチ光波形弁別）
○Ｘｅなどに比べ安価。
●自然同位体 39Ａｒ が背景事象に
気相S2
液相 S1
γ
DM
日本物理学会 田中雅士氏スライド（28pRF-7）から借用
まとめ
• 液体アルゴン３次元飛跡イメージング検出器
は現代版の電子“泡箱”検出器。
• その高い検出器能力を活かして、ニュートリノ
や暗黒物質探索へ使用されている。
• コスト削減と実験的な物理性能の確認が現
存最大検出器（ＩＣＡＲＵＳ）より大きな検出器
を作成する際の世界的な課題。
• 日本では主に荷電粒子を使用した検出器性
能の実験的な検証（とそれに付随する開発）
を行ってきた。2013年には、更なるビームテ
ストをJ-PARCで行う予定。
dQ/dx comparison between data and MC (p and K)
After MIP response is corrected, we compare the data and MC for K / p
samples
Typical proton event
Signal charge definition
Hit charge
Hit charge charge deposit in each channel.
Cluster charge  Sum of hit charge in a
track.
Stopped channel
Cluster charge
Stopped (or decay) channel
•
In proton case, the rightest hit channel of
the track is defined to be “stopped
channel”.
•
At kaon case, Hough algorithm and chi2
algorithm find the decay vertices. (right 2
events show the example of the tracking
algorithm works)
•
We compare following variables.
•
Hit charge, range, (cluster charge)
18
Typical Kµ2 two candidates