宇宙線中の陽子探索山中研４年　

木佐森慶一　藤川真里

2009/12/21 年末発表会

Motivation

Experimental plan

Progress

Summary

Contents

Motivation

宇宙線中のprotonを検出する

地表付近での宇宙線強度μ : 100 (m-2 sr-1 s-1)p : 2 (m-2 sr-1 s-1)

! "#$%#$&&

'( % ) %*+, -./01,23 4 567 89 ,: ,;:< = ,> ? @AB C

!D D E E ( ( F G F GH;I J23 @K 8LM NO JC P QRFSTRU V ,W CXYZ

[\J MJ ],^ _, T`Ra bc ,-. d1 @ef gh i 4j MkFlm

,nRop,qro s,;: tu ,Yv @ w [Rx y: Rq o @z {|} X ~

%%!%@wM-.,���x�QJ[���[R� �9��s9,��m8�T��,��q���@��M-.d1J]��Mw�@J6Tk� �@��� ���� P6g C MUV s,-.d1 �R� } ,��X  ,¡¢m 8

2 3 QQ5@R£ 8m @ ¤¥�� � MkFSTR¦ §¨© ª« N¬ CT­®

¡0000�x�@J[R� C­¯��N°�±²³´³,y}¯µ@¶¥T·¸¹0(}c,<=m8Rº »¼½,¾¿À,-.d1��Mw�@J6gÁTP¥8abc®,9X9¾¿Ã@ÄÅÆM-.d1,ÇcÈN®ÉÆ

@ %6 gRº »¼ ½ sÊ1 ¤¥T-. Ë @ÌÆ MÍ Î Nz {MP Q�s ÁMÏ

ÐÑ Ò-.Ó1 ,^Ô @ wM QRÕÖR×#ÖØR)ÙÚX RÛ m JË ,"ÙÚRÜÝØJ

C -.�º»¼½ s� Þ8¥ T Qß { 8¥ Mk¡ ¢m 8,Í Î Q^Ôàá @

¢Q,eâm8R¼ ½Ôã·ä³å,æQ�s�M¼½,çèÑ éêÒ�ë`MPQ�sÁMkìC-.4¼½}Ã@5íË@î拉gCM�R� ðñe@íÞ,òó

m 6g� [R¼ ½} ,�ôXõö R9 Â�� Q,÷øù ¬ J ]@ wM

úû ,ZüYZ , ýþÿ N¬ Cg! " ¤¥ gC MÏ

'Ú#½} 4$% Q�& @R¼ ½,�� �¦' @( ) lT 5,s� MÏ

*m 8,$% 4 +y I´ ¸,N° � �Rª ¯m 8,-. @4: /i @0 C

0Ú12ÂN()ÆMPQ�34sR� ²5ÿ6³789:@�Cg,;<¶¤

MF= ½m8¦'>?[@@A�²5ÿ6³,.9:XB:C�î拉g'ÚD%n} QEF ka bm 8 5� ï ¤¥ Meâ I²5ÿ 6³ ,G CH IJØ�

00(;4Ra bc�s,õö �ab�K , %%L M»NK ,OP NQ �R¦ r

ÞRQ �XÆ Cϲ5ÿ 6³ ,� Ca bc® m 8,1; 4f ÁRS TU $UVÕkG5 ÿ6³&@ eWÆM¿X±+ÿN°YR@ ,ZQ[]4úû�@Ê

ôN°�8lC϶ÅSs@¡¢¤¥T\�²5ÿ6³ V%]Õ]FØ�@.ÆM4Rú ûc®m8()lT5,Q^_¤¥Mk¼ ½},Züd14` Ü]a

$b.,B:C &s Rc [�U9: $d éef,B:C &X 56 Qg CB:C s

,hi14¼ ½,-. d1 @ w Þj g C M�RÙÚRÝØRÝJ ],k -.�

%ê(84g CB:C ,= ½ }�õ ö Ã@9 Â� � Ql m ln o ¤¥ g� Þ

p� { 8¥ Mk¦ ' ,® m 8, P¥ 8,= ½} Nqr¼ ½} QEF k

Ú00Ú1}4¦'¨s@mtlgR2 sB:QlmlurI@9:N�ʤv

äD$wx�y %%,=½}4rzQ9:�ÊN{ [| líH,9:}�()Æ~��Fé (�N� PÆFq :Rb q: R~ }R� ÃÂ:RF� �³ êÒRà �:R'FDé �J] ssÊ1¤¥Mur¼½}4¦�sV%��$��Õk�Ú�&

DD'RRD' F�êÒ�ur¼½}Ã,�q9:,` ×�#N �`Mkb q:R�RF¸ ÒX¿+�Ò�5¿N°�.9:,��J]Ru r=½}4�²5

�D�� GÚ�&[%"@8�¬¤¥g ÁTÏ�� Q,÷øù¬,� C ��³ êÒX ��'4 !D %� Þ Ts G Ú�lR� �³ +é��K J ], � �³ +é�,÷ ø

kCDDFFpÞ pÚ000D�mpRab��³ +é�N���HîïÆM!"���8¥

T$%"%�

¼½,-.d1R¼ ½}

t .+ k l: t) a) a 4 )v i - E/ Ge\,t

� "

�   % % %

*s,q

5ÿ6³

N1;P²5ÿ�

ab�g

Q�M

¡³¢)

\£»$

4qr'

6³¿FFFFFFD

Õ¤ 0¥¦l�R§x §D}¨©@�MPQ�<¢ ¤¥gCMFq:,UÓRª «4¬

5ÿ6³R­ «4q: H $ �Õ®GF0F®F0

$JØ�&%&s ¯M

°

±

"

²³´µ¶·X¸¹Î@

Gp

²5ÿ6³T$Ø�&

ã#F¼ ½}9:º1;,'ÿ6³¿X ± +ÿ

»FFF%]FFF%»FFFÕ]FFFÕ»FFF×]

B:¼½pnF%#F¦ ' 0* @�� M= ½},nD¾0($¿ 4C:�T [)]VÕÀ]FJØ�ÚF06³N°�1;R]4 ¼½d1&

Á  à < ÄÅ %Æ ÞÇ ÜÈ U@eW l $É4�ÊË &RÌ ¨ s4ͯI QJ[R@ ¥ w [§¯ s4ª¯µ,tÎ � í ÞJ

Ë 0Ï ÐÑÒÓÔÕ Ö×ØÙ ((ÚÕ%%Û

Ü

HÝÞ

Þ

Þ

Þ

Þ

�Þ

Þ

Þ

Þ

Þ

Hß

"à

Þ

Þ

Þ

Þ

Þ

Þ

"à

Þ

Þ

Þ

Þ

Þ

Þ

"à

á¸Hâ�H�ãäåæçèéêëìíîÌPïð

�

b: ñ� �³êÒ

理科年表　国立天文台編

TOFとEnergy depositを用いてmassを組み、宇宙線中のprotonを探索する。

T

�＊Time of Flight　＊Energy deposit

(速度)(運動エネルギー)

m2 = E2 ! p2

= E2(1! !2)= (T + m)2(1! !2)

m =T

(1/!

1! !2)! 1

Experiment Plan

!

Experimental Setup

Plastic Scintillator

NaI(Tl)

PMT

Cosmic ray

TDCStop

Start

ADCveto

TOF

Energy deposit

Energy depositの測定 NaI(Tl)を使用する(6本)。

NaI(Tl)中に止まる粒子の運動エネルギーTを測定する。

Plastic Scintillatorより荷電粒子がScintillator中で止まりやすい。

光量が多い。

33cm

6.5cm

6.5cmNaI

Time of flightの測定

3種類のPlastic Scintillatorを使用する。

Timing resolutionについて。

Slewing補正を行う。

Plastic Scintillator大Scintillator(両読み) 中Scintillator 小Scintillator

340mm

250mm

150mm

10mm

scintillator HV(V)大scin.１ 2000大scin.２ 1950中scin.１ 1500中scin.２ 1600中scin.３ 1400中scin.４ 1400小scin. 2000

PMT HV330mm

1030mm

Timing Resolutionについて NaI(厚さ6.5cm)で止まる粒子のEnergyは、

そのβは、

2mの間を飛ぶ時間は

muon: 0.16GeVproton: 1.22GeV

muon: 0.79proton: 0.57

muon: 8.4nsproton: 11.7ns

~2nsのtiming resolutionが必要

Slewing補正

threshold

Δt

Slewing効果

波高が違うとDisc.のしきい値を越えるタイミングがずれ

てしまう！　　　

過去の卒論ではslewing補正をおこなう事によりTOFのσ=1.869ns から 0.938nsとなっている。

期待される統計量 muonは以下のScint.のセットで

・上：大Scint.×1枚・下：中Scint.×1枚・距離：2m

大Scint.

中Scint. 2m

100m!2sr!1s!1 ! (0! 25! 0 ! 33)m2 ! 1! 0 ! 332! 2

sr

protonはmuonの２桁落ち

運動量が大きい宇宙線はNaIでは止まらないので

protonは7.0×10-3Hz以下

! 0.7Hz

Progress

NaIの光量を測定

TDCのCalibration

Pla.Scint.の評価

統計量の評価

1 photoelectron測定によるNaIの光量測定

①LEDとPMTを用いて、1 photoelectronがPMTの光電面から放出したときのエネルギーピークを観測し、1 photoelectronが何ADCカウントに相当するか確かめる。

②NaIをPMTに接着し、宇宙線のエネルギーピークを観測する。③MIPでのdE/dxを計算する事により、光量(p.e./MeV)を測定する。

NaIの光量測定結果 10倍Ampを入れた1 p.e.のplot

1/10倍のattenuatorを入れた宇宙線のplot

h1Entries 1000000Mean 97.82RMS 30.4

ADC count

0 50 100 150 200 250 300

even

t

10

210

310

410

510

h1Entries 1000000Mean 97.82RMS 30.4

1 p.e.

h1Entries 1001Mean 1676RMS 844.3

ADC count

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

even

t

0

20

40

60

80

100

h1Entries 1001Mean 1676RMS 844.3

NaI test (cosmic ray)

4.16 ADC count/1p.e151.78 p.e./MeV

TDC Calibration

time [ns]10 20 30 40 50 60 70

TD

C c

ou

nt

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

/ ndf 2! 822 / 5p0 0.3547± -126.1 p1 0.01509± 23.29

/ ndf 2! 822 / 5p0 0.3547± -126.1 p1 0.01509± 23.29

TDC calibration ch[0]

ch0 822/5 -126.1±0.4 23.29±0.02ch1 776.7/5 -122.5±0.3 23.30±0.01ch2 814.3/5 -125.0±0.4 23.29±0.01ch3 877.6/5 -125.9±0.4 23.36±0.02ch4 162.8/4 -142.7±0.4 23.48±0.02ch5 149.2/4 -135.4±0.4 23.45±0.02ch6 199.5/5 -144.2±0.4 23.44±0.02

= p0 + p1 ! time[ns]TDCcount直線でfitting

p1p0!2/ndf

clock gen.のpulseをdelayさせて測定

両読みPla.Scint.の光量測定

Cosmic ray

ADCgateand

to ADCLeft PMT Right PMT

0cm 100cm50cmx

＊大Scint.の光量の減衰を測定する。

大Scint.の光量測定結果h0

Entries 5001

Mean 169.2

RMS 35.77

ADC count120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

even

t

1

10

210

310

h0Entries 5001

Mean 169.2

RMS 35.77

0cm Left h0Entries 5001

Mean 146.3

RMS 18.32

ADC count120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

even

t

1

10

210

310

h0Entries 5001

Mean 146.3

RMS 18.32

50cm Left h0Entries 5001

Mean 140.7

RMS 13.21

ADC count120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

even

t

1

10

210

310

h0Entries 5001

Mean 140.7

RMS 13.21

100cm Left

h1Entries 5001

Mean 116.7

RMS 7.905

ADC count120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

even

t

1

10

210

310

h1Entries 5001

Mean 116.7

RMS 7.905

0cm Right h1Entries 5001

Mean 121

RMS 11.41

ADC count120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

even

t

1

10

210

310

h1Entries 5001

Mean 121

RMS 11.41

50cm Right h1Entries 5001

Mean 139.8

RMS 23.58

ADC count120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

even

t

1

10

210

h1Entries 5001

Mean 139.8

RMS 23.58

100cm Right

0cm Left

100cm Right50cm Right

100cm Left50cm Left

0cm Right

大Scint.のtiming resolution

h2Entries 100001Mean 575.9

RMS 43.56 / ndf 2! 44.63 / 12

Constant 13.5± 743.6 Mean 0.4± 577 Sigma 0.37± 28.62

TDC count

0 200 400 600 800 1000 1200

ev

en

t

0

100

200

300

400

500

600

700

800

h2Entries 100001Mean 575.9

RMS 43.56 / ndf 2! 44.63 / 12

Constant 13.5± 743.6 Mean 0.4± 577 Sigma 0.37± 28.62

TOF test

＊片方から読み出した＊大Scint.を2枚重ねた

start

stopTDC

σ=1.14ns

統計量の評価

TDCStart

Stop

veto

to TDC

protonの計数率は約1.0×10-4Hzと考えられる

＊大Scintの1/2の立体角

計数率はstopped muon：約1.0×10-2Hz

＊NaIを縦に2つ重ねる

2m

＊中Scint.×2枚

これまでの結果と今後の進展 大Scint.のTiming resolutionは < 2ns

NaIの光量 -> 150p.e./MeV

計数率は -> 大Scint.を使いたい。

＊大Scint.について＊統計量について

さらに検証する必要がある。

Summary muonの２桁落ちで宇宙線中に含まる、protonを検出する事が目的。

TOFとEnergy depositからmassを組んで粒子識別する。

実験準備中

統計量、大Scint.が使えるかが課題

ご清聴ありがとうございました。

Back Upand Editing