Embed Size (px)
Citation preview
素粒子検出器 ～液体希ガス（TPC）検出器の魅力～
丸山 和純 （KEK）
素粒子検出器とは • 電荷を帯びた粒子が物質を通過する際に起こす反応を用いて、粒子の通過時間や粒子が損失した位置、エネルギーを測定する機器。
• まずは、電気信号の源で区別すると： – 物質中で生成される光を使うもの。（一般的に時間分解能が高い）
• シンチレーション光検出器 • チェレンコフ光検出器 • 遷移放射光検出器 • PMT・MPPC 等 （光自身を捕まえる検出器）
– 固体、液体、気体で作られた電離電子を使うもの。（一般に位置分解能が高い）
• シリコン、ピクセル、ゲルマニウム （固体） 半導体の場合、電離電子というよりは、電子・正孔対。
• 液体希ガス（LXe, LAr等） • ガスチェンバー等 （気体）
• 人類は現在電磁気しか制御できないので、検出器の信号は全て最後は電気信号として読み込まれる。
2011/5/13 高エネルギー 春の学校 2
検出器への動機（１） • 検出器について知ること、働くことは非常に楽しい。また、実験家である以上、マストアイテム。
• しかし、それに付随する物理を考えるのが先で、本来物理側からどのような検出器が必要か考えるべき。（物理と検出器のイメージがタイトに結びつく環境が重要） – 固定標的・宇宙線実験では、検出器の性能自身が物理の最終結果を決めることが多い。（例；K実験、ニュートリノ実験、暗黒物質直接探索、等々）
– 一方コライダーでは、できるだけ汎用な検出器を作成・インストールするのが良いように思えるが、やはりフラッグシップの物理に合わせた検出器を作成・インストールすべきだと思う。 （例；Tevatronでのトップクォーク探索）
2011/5/13 高エネルギー 春の学校 3
検出器で差が付いたトップクォーク発見
2011/5/13 高エネルギー 春の学校 4
• CDFイタリアGがハドロンコライ
ダーに初めてシリコン検出器を持ち込んだ。
– 画期的 （当時放射線耐性、飛跡多重性で使えないと言われていた）
– bクォークから生成されるジェットをタグできるようになった。
• 一方当時、D0検出器はシリコンなし（Kinematicな解析のみ）
• 結果； – CDF（19.6pb-1）
信号有意度＞３σ (p-value; 0.0026)
– D0 (15.0pb-1)
信号有意度＜２σ (p-value; 0.072)
• Tevatronでのトップクォーク発見時の信号 の一つのチェンネル。
• Tevatronは重心系２TeVの陽子・反陽子 衝突型加速器。汎用型検出器CDFとD0 ２つがある。
検出器への動機（２） • まず、自分のやる物理を思い浮かべ、検出器のオプティマイズを行う。
• まずは、信号数と背景事象数、その比 – ビーム輝度や、宇宙線のフラックス、標的の数
– 信号の検出効率 （たくさん信号を拾い）
– 背景事象のリジェクション因子（背景事象を減らす）
• 以下、オプティマイズに際に考えなければならない事柄の例
– 飛跡の位置、方向、バーテックス分解能 （含；磁場の必要性）
– エネルギー分解能
– 時間分解能
– 粒子識別能力
– データ取得レート （＋トリガー）
– 放射線耐性、磁場耐性
– 宇宙、上空、地下、海中などの特殊な環境
– 値段
2011/5/13 高エネルギー 春の学校 5
さて、ニュートリノをやっている私は何に気を付けるべきでしょう？
• 信号； 主にνμ→νeの加速器ニュートリノの振
動を探しています。（加速器から生成されるニュートリノはνμが支配的） 振動は生成から検出まで数１００ｋｍの地点で最大になります。
• 背景事象；
–宇宙線ミューオン
–大気ニュートリノ
–加速器ビームにもともと入っているνe
–ニュートリノ反応生成π０からくる偽電子
2011/5/13 高エネルギー 春の学校 6
7
T2K (Tokai to Kamioka) experiment
• High intensity (750kW design) nm beam from J-PARC MR
• Narrow band off-axis beam tuned at osc. max.
• World largest detector Super-Kamiokande @ 295km
• Discovery of ne app. Determine q13 • Precise meas. of nm disapp. q23, Dm23
2
詳細は明日の横山氏のトークで
ニュートリノ振動
ニュートリノ振動
• ニュートリノに「質量」があるときのみ起こる （１９９８年までニュートリノは質量
がないと信じられ、実験も人々をコンビンスするレベルでなかった。） • ニュートリノ振動があると、他の世代のニュートリノと混合をするようになる。
• ミュー型―タウ型、電子型―ミュー型の振動はこの１２年間で良く研究されて
きた。しかし、電子型－タウ型の混合は小さくて良く分かっていない。
• 更に、電子－タウ型の混合には「物質－反物質」非対称性の謎が絡む。
νe νμ
ντ
信号数を最大に
• ニュートリノの散乱断面積は弱い相互作用しかしないので非常に小さく（10-37cm2@1GeV)、
事象数を増やすには、標的（核子）数を増やすのがてっとり早い。 → 巨大検出器
（事象数＝散乱断面積×フラックス×標的数）
• フラックスは数１００ｋｍ先に打ち込むので、限界がある。（しかし、できるだけ大強度でなければならない。）
• もちろん、検出器の検出効率も良くなければならない。
2011/5/13 高エネルギー 春の学校 9
背景事象数を最小に
• 宇宙線ミューオン → 地下にもぐって、ミューオンを減らす。
• 大気で生成されるニュートリノ → ビームの
時間と、検出器の検出時間のコインシデンスによって、他の事象をリジェクト。
• ビームにもともと含まれるνe → 減らせない
ので、できるだけ性質を振動前に測定しておく。
• π０は再構成した不変質量やｄE/dxでリジェクトするが、検出器の能力による
2011/5/13 高エネルギー 春の学校 10
他に考えること – 飛跡の位置、方向、バーテックス分解能；
– 有効体積、ニュートリノが点源から来る場合等、方向も重要。
– エネルギー分解能 – ニュートリノ振動は、ニュートリノエネルギーの関数なので、重要。
– 時間分解能 – 時間（GPS)によって、背景事象と分けるので、非常に重要。
– 粒子識別能力 – ニュートリノ振動後のフレーバーを探るために重要。
– データ取得レート （＋トリガー）
– 加速器ニュートリノの場合、DAQレートは高くない。
– 放射線耐性、磁場耐性； なし。
– 宇宙、上空、地下、海中などの特殊な環境 – 地下
– 値段 2011/5/13 高エネルギー 春の学校 11
核子崩壊探索検出器の場合
• 検出器兼希崩壊現象の源
– 核子崩壊は、大統一理論（強い相互作用と電弱相互作用がGUTスケールで統一するという理論）が存在すると起こり得る現象。現在まで見つかっていない。
– 核子数がたくさんある方が良い。（感度があがる）
– ニュートリノ用の巨大検出器は良く核子崩壊の実験にも使われる。核子数は多く、地下にあって、背景事象も尐ないから。
• 今までのニュートリノ検出の議論と似たような検出器への要求がある。
• ただし、時間による事象の区別はできない。
核子
荷電粒子１
荷電粒子２
Y.Takeuchi
（INSS2010)
チェレンコフ光について
q
n
1cos
• qは荷電粒子の方向とチェレンコフが出る向きの角度 • nは物質（媒質）の屈折率
• βは荷電粒子の速度（β＝ｖ／ｃ）
21
22 11sin2
qZ
dL
dN• qは荷電粒子の方向とチェレンコフが出る向きの角度
• λはチェレンコフ光の波長
• αは微細構造定数、１／１３７
• 荷電粒子の電荷。
• 荷電粒子が媒質中を光速以上で通過する場合に発生する。
• エネルギー分解能 （PMTの受ける光電子数でほぼ決定する。～６ p.e./MeV） – 10MeV 電子： s(E)/E = 14%
– 1GeV 電子； s(E)/E = ３%
– 1GeV μ； s(E)/E = ２%
検出器性能
• バーテックス分解能； １０MeVくらいの電子でもPMTのタイミング情報からまあまあの精度で相互作用ポイントを推測できる。
– １０MeV 電子； ５５ｃｍ
– 水中で事象が起こり、止まったもの（～１GeV）；～３０ｃｍ
• 角度分解能； チェレンコフリングのパターンで測定することができる。
– １０MeV 電子； ～２３度 （クーロン多重散乱による）
– ＞１GeVくらいの事象； １°～３°
16
Electron-like and muon-like events e-like m-like
m e
T2K Super-K(Far detector) neutrino events
17
• Clean beam timing structure confirmed in FC events
– ビームの時間とニュートリノの検出時間をGPSで同期。（１ｍｓのTOFは既に差し引いてある。） GPS精度は100ns以下。
– J-PARC MRビームのバンチは560ns毎に50ns幅。2010年夏までは６バンチ。 3-4秒おき。
– Non-beam BG estimated to be <10-3evts （実質ラン約数か月）
FC
OD
LE FC
LE: Low energy triggered events
OD: Outer detector events
FC: Fully contained events
液体アルゴンTPC
提案中のν次世代計画の一つ
• １００ｋｔ （＝１０５トン＝１０８ｋｇ）の液体アルゴン飛跡（ＴＰＣ）検出器を作り、ニュートリノ等の物理に役立てたい。
• 例えば、東海村Ｊ－ＰＡＲＣ施設で作られたニュートリノを６５８ｋｍ離れた隠岐の島で測定するというような案が話し合われている。
• 神岡へニュートリノを
飛ばすＴ２Ｋ実験、の
次期計画。
• ６５８ｋｍのような
長距離をニュートリノを
飛ばすと、ニュートリノ
振動現象から、
宇宙物質創成期の
謎にも踏み込める
可能性がある。
A.Bueno et al
隠岐の島
東海村から ~658km
検出器設置場所があるか？
• 陽子崩壊などの稀な事象を観測するには、大気から降ってくる宇宙線をできるだけ無くす必要がある。 → 最低限、２００ｍ高さくらいの丘の下にある必要がある。
• 視察したところでは、２００ｍの土被りは取れそう。
電離電子を使う検出器
検出器＝コンデンサ
コンデンサの中に電離
を起こし易い物質を充填
荷電粒子 （素粒子）
－ － － － － － － － －
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
電離電子を使う検出器
荷電粒子 （素粒子）
－ － － － － － － － －
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
電離電子はコンデンサの＋側 電離イオンはコンデンサの－側 へ移動。 （ガス等では、イオン移動は非常にゆっくり）
電離電子を使う検出器
荷電粒子 （素粒子）
－ － － － － － － － －
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
電離電子はコンデンサの＋側 通常＋側の信号をオシロスコープやエレクトロニクスを使って読み出す。
オシロ エレキ
液体アルゴン検出器概念図
電離電子
シンチレーション光
チェレンコフ光
荷電粒子
電離電子信号
～50000e/cm MIP
～kV/cmの電場により ～mm/μsでドリフト
高純度（～0.01ｐｐｂ）の液体アルゴンでは10m以上のドリフトが可能
液体中では増幅無し
ドリフト電子のディフュージョン 20 mドリフト後で＜3 mm
TPCとして三次元飛跡再構成
C.Rubbiaが１９８０年代に提案
電場
ν μ 荷電カレント事象
ν e 荷電カレント事象
A. Bueno, et.al.,, hep-ph/0701101
Liquid Ar
1 kV/cm
Gas Argon
5kV/cm
GEM
１相式
２相式
ＴＰＣって？
• 荷電粒子が陽極（＋を帯びた電極）に到達する時間を使って、電場方向の位置を再構成できる検出器。
– 上図の例なら、荷電粒子が作った電離電子は、矢印の先の方からできたものの方が、早く読み出しワイヤに到達する。
– 荷電粒子が通過する時間は電離電子が動いていく時間に対して、十分早い。
– ワイヤ部分を２次元的に張っておけば、読み出し位置の情報と、荷電粒子の到達時間から３次元的な位置が再構成できる。
ニュートリノ
－
＋
衝突
荷電粒子１
荷電粒子２
電離電子
荷電粒子
電場
読み出し ワイヤ
何か難しい点はありますか？
• 電離電子は液体アルゴン中に酸素等があると、＋電極へ移動の際、電気的に捕獲されてしまう。
– 酸素、もしくは、水分が電離電子移動の邪魔と言われているが、これらを極力尐なくする必要がある。
– 一般的に、電離電子寿命と不純物濃度（ｐｐｂ）の間には、
t(ms) ～ 300/不純物濃度[ppb]
という関係があると言われている。
– tは電離電子数がドリフト中に約２．７分の１になる目安
– ｐｐｂはparts per billionの意味
で、液体アルゴン中に（液体アルゴンとの比で）１０－9の混入率があるという意味。
ニュートリノ
－
＋
衝突
荷電粒子１
荷電粒子２
電離電子
荷電粒子
電場
読み出し ワイヤ
何か難しい点はありますか（２）
• つまり、、、、
– １トン（１０３ｋｇ ＝ １０６ｇ）に１ｍｇの酸素があると、１ｐｐｂ
– t(ms) = 300/ppb
１ｐｐｂのとき、寿命（２．７分の１）が３００μｓ
– ２ｍｍ／μｓ くらいのスピードで電離
電子が進むことを考えると、６０ｃｍで２．７分の１になってしまう。
• これは、陰極ー陽極間が１０ｃｍ程度の検出器があると、最低でも１０ｐｐｂくらいの純度がないと、測定器として、あまり働かないということ。
ニュートリノ
－
＋
衝突
荷電粒子１
荷電粒子２
電離電子
荷電粒子
電場
読み出し ワイヤ
Comparison Water - liquid Argon
Water Liquid Argon
Density (g/cm3) 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° 36
Cerenkov d2N/dEdx (=1) ≈160 eV1 cm1 ≈130 eV1 cm1
Muon Cerenkov
threshold (p in MeV/c)
120 140
Scintillation No Yes
(≈50000 g/MeV @ =128nm)
Cost 100yen/liter
(Evian)
100yen/liter
29
LAr thermodynamical properties P
(bar)
T
(K)
Density
(g/cm3)
Solid
phase
83.0 1.625
Liquid
phase
1.00 87.2 1.396
Boiling
point
1.013 87.3 1.395
Triple
point
0.689 83.8
Critical
point
48.63 150.7 0.553
Heat capacity (Cp) 1.117 kJ/kg K Thermal conductivity 1.26×10-1 J/s m K Latent heat of vaporization 161 kJ/kg
At the boiling point:
何故液体アルゴン飛跡検出器は有望か
• 現代版の“泡箱検出器”
• 飛跡検出器であるから（３ｍｍピッチワイヤで～１ｍｍ分解能）
– 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、全方位均一物質によるカロリーメータ
– エネルギー再構成能力が優れている。
MC single π0, E=0.5 GeV
MC νe CC, Eν=0.730 GeV
65 cm
50 cm
次世代ニュートリノ検出器として有望な検出器
p
e-
pion
positron
proton
76 cm
Test-Beam data 0.8 GeV/c
40 cm
今や低温技術はPCと同じくらい一般的 な常識となりつつある。（KEK 山本氏）
31
Comparison Water - liquid Argon
LAr allows lower thresholds than Water Cerenkov for most particles Comparable performance for low energy electrons 見て分かるとおり、重い粒子ほど、液体アルゴンの方が得をする。
Particle Cerenkov Threshold
in H2O (MeV/c)
Corresponding Range
in LAr
(cm)
e 0.6 0.07
μ 120 12
π 159 16
K 568 59
p 1070 105
陽子崩壊の感度
A. Rubbia hep-ph/0407297, M.Shiozawa 28th ICRC conf. proc., K.Kobayashi, PRD 72 052007(2005）
• K＋＋νモード: LAr（100kt×10年）＝～7×WC（500kt×10年） LAr100KtならKνで現在のSUSY GUT（NNN’07 P.Nath) のほぼ全てをカバー
WCは陽子崩壊時の水素原子からの低エネルギー光子の発行・検出効率でリミット。
• e＋π0モード： LAr（100kt×10年）＝～1/2×WC（500kt×10年）
SUSY GUT予想範囲
SUSY GUT予想範囲
ｐ → ｅ＋π０ (90%CL)
ｐ → Ｋ＋＋ν (90%CL)
Super-K (91.6kt-year)
Super-K (91.6kt-year)
水チェレンコフ
５００ｋｔ×１０年
液体アルゴン
１００ｋｔ×１０年
水チェレンコフ
５００ｋｔ×１０年
液体アルゴン
１００ｋｔ×１０年
100 1000 10000 (kt×年) 100 1000 10000
1035
1034
1033
1036
1036
1035
1034
1033
陽子寿命
（年）
陽子寿命
（年）
(kt×年)
Super-K limit
電子とπ０の識別
• νμ→νe の振動探索が主となりつつある最近の実験傾向で重い意味を持つ。
• 電子の検出効率を９０％に保ちつつ、0リジェクション能力は１０-3。
– バーテックスからγのコンバージョン
– π０再構成質量
– ｄE/dx
• エネルギー分解能；
A LINE OF LIQUID ARGON TPC DETECTORS SCALABLE IN MASS FROM 200 TONS TO 100 KTONS
David B. Cline 1, Fabrizio Raffaelli 2 and Franco
Sergiampietri 1,2
1 UCLA
2 Pisa,
ETHZ, Bern U., Granada U., INP Krakow, INR Moscow, IPN Lyon, Sheffield U., Southampton U., US Katowice, UPS Warszawa, UW Warszawa, UW Wroclaw
MODULAR
GLACIER
ICARUS
FLARE
LANNDD
Bartoszek Eng. - Duke - Indiana - Fermilab - LSU - MSU -Osaka - Pisa - Pittsburgh - Princeton –
Silesia – South Carolina - Texas A&M - Tufts - UCLA - Warsaw University -
INS Warsaw - Washington - York-Toronto
G.Alberto’s slide
In neutrino 2010
View of the inner detector
Readout electronics
ICARUS T300 Prototype HV feedthrough
Field shaping electrodes
G.Alberto’s slide
In neutrino 2010
Argon purification in ICARUS
25 GAr m3/h/unit
2.5 LAr m3/h
Recirculate gaseous and liquid Argon through standard Oxysorb/Hydrosorb filters
It was verified that LAr recirculation system does not induce any microphonic noise to the wires, so it can be active during the
operation of the detector
High granularity: readout pitch ≈3 mm, local energy deposition measurement, particle type identification
A tracking calorimeter
Low energy electrons:
Electromagnetic shower:
Hadronic shower:
Fully homogenous, full sampling calorimeter
ICARUSでの物理
• CNGS（CERN）から来るニュートリノを使って
– ４８０トンの有効体積があるとすれば、年間～１２００事象のニュートリノ事象が検出される（９０％検出効率で）
–振動で出現するντの検出ができる（と主張している）
• セルフトリガーにて
– １００事象／年の大気ニュートリノ荷電カレント事象。
– 太陽ニュートリノも８MeV以上でトリガー可能。
– ０背景事象で３×１０３２の寿命の核子崩壊下限。
Towards large LAr TPCs
Starting from ICARUS (1985), several proposals towards large LAr TPCs: LANNDD 2001 GLACIER 2003 FLARE 2004 MODULAR 2007
…with different approaches: • a modular or a scalable detector for a total LAr mass of 50-100 kton • evacuable or non-evacuable dewar • detect ionization charge in LAr without amplification or with amplification
Recently Proposed Strategy @
Fermilab
R. Rameika, Project X Workshop, January 2008
0.5x0.5x1.0 m3 0.3 ton Spring 2008
170 ton Data: ~2011-2012
Data: ~2015-2016 1-5 kton
100>M>5 1<N<20
Many large LNG tanks in service • Vessel volumes up to 200000 m3
Excellent safety record • Last serious accident in 1944, Cleveland, Ohio, due to tank with low nickel content (3.5%)
Cryogenic storage tanks for LNG
Passive perlite insulation
≈70 m
Drift length
h =20 m max
Electronic crates
Single module cryo-tank based on
industrial LNG technology
A. Rubbia hep-ph/0402110 Venice, Nov 2003
Giant Liquid Argon Charge Imaging ExpeRiment
possibly up to 100 kton
GLACIER A scalable detector with a non-evacuable dewar and ionization
charge detection with amplification
GLACIER concepts for a scalable
design LNG tank, as developed for many years by petrochemical industry
• Certified LNG tank with standard aspect ratio • Smaller than largest existing tanks for methane, but
underground • Vertical electron drift for full active volume
A new method of readout (Double-phase with LEM) • to allow for very long drift paths and cheaper electronics • to allow for low detection threshold (≈50 keV) • to avoid use of readout wires • A path towards pixelized readout for 3D images.
Cockroft-Walton (Greinacher) Voltage Multiplier to extend drift distance • High drift field of 1 kV/cm by increasing number of stages,
w/o VHV feed-through Very long drift path
• Minimize channels by increasing active volume with longer drift path
Light readout on surface of tank Possibly immersed superconducting solenoid for B-field
大型化へ向けた世界情勢 • 日本； 最近０．４トンクラスのプロトタイプを用いて、世界で初めての荷電粒子ビームテストを行った。MCだけではなく、実際のデータでｄE/ｄｘでどこまでPIDができるのか解析中。（年齢２歳半）
• 米国； 日本と似たサイズの検出器で既にニュートリノを測定している。現在、数１０トンクラスのLAPD（LAr Purity Demonstrator)で純度のテストを行いながら、１４０トンのMicroBooNE実験を行おうとしている。その後は、２０ｋトンの検出器で地下実験を行おうという計画がある。（２０ｋトンは来年CD2決定） 年齢５歳くらい
• 欧州； ICARUSが稼動中。他にもA.Rubbiaなどが、一体物のLNGタンクを使って行うGLACIER実験などを提案。LAGUNNAという枠組みで、水チェレンコフ、LAｒTPC、液体シンチの検出器技術とサイトについてスタディを進めている。（A.Rubbiaは日本とも協力体制） ICARUS年齢２０歳以上
日本のアクティビティ
J-PARC T32実験
• 核子崩壊 – 核子の寿命は新しい物理に対して重要なパラメーター
LAr検出器はp→K+νのK+の信号を直接検出可能（SUSY GUTで大きな分岐比）
研究動機
05/13/2011 49
Simulation Study(JHEP 0704:041,2007) Background reduction ~105
Kaon efficiency ~97%
シミュレーション
T32実験では
LAr検出器のdE/dxによるK/π分離能力を実験的に検証する
（できれば２相式読み出しで）
K+340MeV/c Ar中の飛程~ 20 cm 停止直前のK+のdE/dxは大きい！
Hadron Hall
Brand-new K1.1BR beamline
LAr 250L
Drawings of 250L cryostat
Beam
• Borrow MEG prototype
• heat load ~ 30W
• 75cm f x 100cm (inner)
• 0.16X0 for beam window
use bellows
use GFRP
Setup of Oct-2010 test-beam
• Double phase component is under production at CERN. (Unfortunately, not in time for test-beam.)
PMT
drift
76 strips (1cm) anode
Fiducial mass 170kg
Total LAr mass ~400kg
Field cage dimension 42cm x 42cm x 78cm
Fiducial volume 40cm x 40cm x 76cm
Typical Drift Field ~225V / cm
Maximum drift voltage 12kV (same feed-through as 10L)
Readout method single phase (temporary)
Number of readout channels
76 strips (1cm)
純化システム
• Purification for initial filling – Purify LAr (from tanks) directly – Filters made by ourselves are used (CuO+MS)
• Keep or improve of the purity after filling – Gas-to-gas recirculation system using a gas pump (max. ~80L/min in 1 bar Ar) – Commercial Filter (SAES Microtorr (MC3000-903-V);
<0.1ppb for O2, H2O but cannot remove N2)
• Evacuation – Turbo + getter pump (~350L/sec) – Achieved vacuum level is ~1x10-3 Pa
Purity is one of most crucial items for LAr TPC system. (1ppb provides 1/e attenuation for 300ms drift electrons)
Charged particle test-beam @J-PARC (Oct/23-31)
View from cathode side (see 1cm strip anode at far side)
• K1.1BRのビーム – 運動量：800MeV/c (+degrader)
– K/π~1/4、3K/1 beam bunch(6s)
• 粒子同定
– TOF1、TOF2
– Fitch Cherenkov(K/π)
– Gas Cherenkov
• トリガー条件 55
particle
250LArTPC
Gas Cherenkov
Fitch Cherenkov
(π-ring,K-ring) BDC=Beam Defining Counter
…Beam’s Final Focus (FF)
LArBDC
Degrader TOF2
TOF1
BDC & TOF1 & TOF2 & LArBDC
Beam Line Setup
空気
K,π,p,e
The “text-book” event
pion
positron
proton
• purity is better than 1ppb
• trigger positrons, and there is an additional pion and proton by chance.
• All are 0.8GeV/c
• PID by local dE/dx and range (even by eye)
pion
positron
proton
Beam direction (cm)
Vert
ical
dir
ection
(4
0cm
) 次の三谷氏のトークも参照。
ノイズ除去について
57
（１）生データ例 （２）FFTによる周波数強度 @ ch8
信号 ノイズ
（３）FFTフィルター前後 @ ch8
- フィルタ前 - フィルタ後
（4）FFTフィルタ後
200kHz以上に 大きなノイズ成分
高周波ノイズが大幅に改善 飛跡がクリアに
Scintillation light readout • Coated by the wave length shifter
– LAr emits 128nm scintillation lights – In order to detect it,
TPB(tetraphenyl-butadiene) is used as the WLS
• Two PMTs are set at the bottom of the cryostat – Trigger for the cosmic ray events
58
59
Processes induced by charged
particles in liquid argon
• Ionization process
• Scintillation (luminescence)
– UV spectrum (=128 nm)
– Not energetic enough to
further ionize, hence, argon
is transparent
– Rayleigh-scattering
• Cerenkov light (if fast particle)
M. Suzuki et al., NIM 192 (1982) 565
UV light
Charge
When a charged particle traverses medium:
Cerenkov light (if >1/n)
τ2 = 1.6 μs τ1 = 6 ns
Scintillation light from LAr • Coincidence of the two PMTs are
used for cosmic ray trigger. • There are two components
– Fast component is ~10ns – Slow component is ~μs
• Lifetime constant of the slow component depends on the purity – Sensitive down to ~100ppb O2
– Stable at ~1.2μs during a week (i.e. purity is better than 100ppb) at KEK.
60
0ch 75ch
e e
e ドリフト距離が長いと
信号は小さくなる
このτから アルゴンの純度を測定する
300μs ⇔1ppb
宇宙線μを用いた純度測定
宇宙線μ クラスタリング 電荷量の減衰曲線
早稲田 長坂 ICEPPシンポジウム
宇宙線μによる純度測定 500event足し合わせ
τ= 560μs
Fit
実験開始時 ： τ≒660μs ( 約 0.45ppb )
実験終了時 ： τ≒370μs
( 約 0.80ppb )
純度変化 ・アウトガス？ ・リーク？
…要調査。だが１ppbは維持
早稲田 長坂 ICEPPシンポジウムで発表
他の液体希ガス検出器
カロリーメータとして
• D0やATLASでは、液体アルゴンをカロリーメータとして使っている。
–電離電子を使う。
– PMTを使うカロリメータに比べて放射線に強い。
– PMTのゲインのばらつきのような効果を減らすことができる。
• MEG（μ→eγ希崩壊探索実験）では、液体キセノンカロリーメータを使っている。
–シンチレーション光のみを使うスキーム
–たくさんの発光量を得ることができる。
暗黒物質探索にも
• 液体Xe、液体Arともに、直接暗黒物質探索に最近使われている。
• どちらも、光を使っているが、電離電子が液面から取り出されるときの光を使うという複合型。
• いろいろな暗黒物質探索がある中で、直接探索の中で最も将来性が高いと言っても過言ではない。
まとめ • 自分が狙う物理に対してどのような検出器が最も適しているのか、常日頃から考えるべし。
• ニュートリノ・核子崩壊をやるなら、地下で巨大な検出器を置くとゲインする。
– 水チェレンコフ・液体アルゴンTPC等が検出器として良い
– 日本ではSuper-Kamiokandeという水チェレンコフ検出器22.5ｋｔの成功例。
– イタリア、グランサッソで0.6ktの液体アルゴンTPCの検出器の成功例
• 日本でも最近液体アルゴンTPCの開発研究を行っていて、０．４トンレベルまで成功。（開始から２年）
• 液体希ガスの検出器は他にも使われており、低温検出器という分野が切り開かれている。
