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CALET-TASC プロトタイプのCERN-SPS による性能実証試
験片平亮、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
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
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
日本物理学会 第 69 回秋季大会@京都産業大学
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
研究目的
CALET-TASC プロトタイプの構成
PWO+PMT( 外側は ESR)
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 )
27X0
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
IMC
TASC
318
460350
120
Electronic Boxbeam
CALET プロトタイプ
78
170[mm]
𝑥𝑦
𝑧
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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
• EPICS v9.13(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 Si Tracker 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
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フィッティング関数
Si Tracker を用いた PWO の座標算出
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TASC1 層目におけるトリガー効率
Si Tracker
TASC
beam
* IMC は省略してある
12 本
• 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 Si strip の位置の相関から PWO 座標を算出
• Si Strip の間隔は 0.732mm
フィッティング関数のパラメータ (TASC1 層目 ) [cm]a b μ1 μ2 σ1 σ2
Ttop0 0.109 0.819 -1.19 0.117
Ttop1 0.116 0.822 -1.11 0.744 0.123 0.0924
Ttop2 0.125 0.820 0.815 -0.107
Ttop 0 Ttop 1 Ttop 2
Landau 分布にGauss 分布を畳み込んだ関数
pedestalmuon
Gauss 分布
0.7MIP
粒子数換算
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• 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
ある PWO における出力波高分布
~ 85%
電子の出力を用いた温度補正
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ある PWO における温度による出力の変化
電子150GeV
ある PWO における各温度での出力波高分布
電子150GeV
24.1℃24.1℃24.2℃24.7℃25.5℃
• 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℃
ミューオン照射時の TASC の温度
粒子数分布
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• 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
電子100GeV
TASC の粒子数分布の和 TASC の粒子数分布の和
Mean は~1% 以内の範囲で一致
ExperimentEPICS dpmjet3①EPICS phits < 2GeV < jam②EPICS phits < 2GeV < dpmjet3③EPICS dpmjet3 < 80GeV < qgsjet2④Geant4 QGSP①Geant4 FTFP②
ExpEPICSGeant4
EPICS ①dpmjet3
EPICS② phits < 2GeV < jam
EPICS ③phits < 2GeV < dpmjet3
EPICS④ dpmjet3 < 80GeV < qgsjet2
Geant4 ①QGSPGeant4
FTFP②
Mean は~ 4%以内の範囲で一致
EPICS ④dpmjet3 < 80GeV < qgsjet2
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
陽子350GeV
エネルギー分解能
Exp 1.96 % 0.934 %
EPICS 1.83 % 2.95×10-5 %
Geant4 1.95 % 3.10×10-5 %
フィッティング関数
統計的誤差系統的誤差
フィッティング関数のパラメータ
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各エネルギーにおけるエネルギー分解能
• 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
TASC の粒子数分布の和
34%34%
peak
~ 0.5% 以内の範囲で一致
電子100GeV
ExpEPICSGeant4
シャワー横拡がり
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• 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
TASC におけるシャワー横拡がり
Mean は~ 2.5%以内の範囲で一致
電子100GeV
ExpEPICSGeant4
EPICS ①dpmjet3
EPICS② phits < 2GeV < jam
EPICS ③phits < 2GeV < dpmjet3
EPICS④ dpmjet3 < 80GeV < qgsjet2
Geant4 ①QGSPGeant4
FTFP②
実験値と EPICS④は~ 0.2% の範囲で Mean が一致
EPICS ④dpmjet3 < 80GeV < qgsjet2
陽子350GeV
TASC におけるシャワー横拡がり
ExperimentEPICS dpmjet3①EPICS phits < 2GeV < jam②EPICS phits < 2GeV < dpmjet3③EPICS dpmjet3 < 80GeV < qgsjet2④Geant4 QGSP①Geant4 FTFP②
±2σ
電子 100GeV陽子 350GeV
電子 100GeV と陽子 350GeV のエネルギー損失
• 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
電子陽子識別性能
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電子イベント数
電子残存率(%)
陽子イベント数
陽子残存率
生成イベント 50146 400000
ビームのコンタミ粒子除去
32717 400000
入射位置選別 17598 100 307332 1
シャワートリガー
17348 99.6 80105 0.261
エネルギーカット
16979 96.5 4333 1.41×10-2
電子 / 陽子選別 15840 90.0 23 7.48×10-5
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 ・
シャワー形状による電子 / 陽子選別方法
実験
電子残存率 陽子残存率
実験値 90.0% (7.48±1.56)×10 – 5
EPICS① 90.0% (4.47±1.12)×10 – 5
EPICS② 90.0% (7.26±1.42)×10 – 5
EPICS③ 90.0% (3.73±0.974)×10 – 5
EPICS④ 90.0% (6.74±1.34)×10 – 5
Geant4① 90.0% (3.13±0.904)×10 – 5
Geant4② 90.0% (9.32±1.49)×10 – 5
実験値はEPICS② 、 EPICS④ 、 Geant4② と誤差の範囲で一致
電子残存率と陽子残存率
EPICS dpmjet3①EPICS phits < 2GeV < jam②EPICS phits < 2GeV < dpmjet3③EPICS dpmjet3 < 80GeV < qgsjet2④Geant4 QGSP①Geant4 FTFP②
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
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粒子 電子 100GeV 陽子 350GeV
実験値 EPICS(%) Geant4(%) 実験値 EPICS(%) Geant4(%)
粒子数平均値 4.04×103 1.08 1.72 5.92×103 -4.17*1 6.78*2
エネルギー分解能 2.09 -0.410 -0.240
シャワー横拡がり平均値
0.826 -2.59 -2.35 1.05 -0.239*1 -1.16*2
実験値と実験値に対するシミュレーションの差 (%)
*1 dpmjet3 < 80GeV < qgsjet2 *2 FTFP
電子残存率 陽子残存率
実験値 90.0% (7.48±1.56)×10 – 5
EPICS*1 90.0% (6.74±1.34)×10 – 5
Geant4*2 90.0% (9.32±1.49)×10 – 5
実験値とシミュレーションの電子残存率と陽子残存率
END
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e- 10GeV e- 30GeV e- 100GeV e- 150GeV e- 290GeV
EPICS -0.820 1.63 1.08 0.739 5.04
Geant4 -0.695 1.72 1.45 1.22 5.49
粒子数分布の Mean の実験値とシミュレーションの差 (%)
p 30GeV p 100GeV p 350GeV
EPICS① -13.6 -2.54 -7.01
EPICS② -17.6 -3.67 -6.05
EPICS③ -16.0 -6.54 -10.0
EPICS④ -13.6 4.08 -4.17
Geant4① -13.8 8.70 6.78
Geant4② -15.9 -4.89 -10.6
粒子数分布の Mean の実験値とシミュレーションの差 (%)
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e- 10GeV e- 30GeV e- 100GeV e- 150GeV e- 290GeV
Exp 6.23 3.76 2.09 1.56 1.64
EPICS 6.02 3.31 1.60 1.28 0.947
Geant4 6.44 3.46 1.85 1.28 0.947
エネルギー分解能 (%)
e- 10GeV e- 30GeV e- 100GeV e- 150GeV e- 290GeV
EPICS -0.909 -1.75 -2.59 -2.89 -3.06
Geant4 -0.185 -1.31 -2.35 -3.42 -1.66
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(%)
p 30GeV p 100GeV p 350GeV
EPICS① 2.58 0.629 1.04
EPICS② -0.385 -1.54 -3.31
EPICS③ -1.62 -3.81 -0.566
EPICS④ -0.367 -1.61 -0.239
Geant4① 1.54 -2.20 -1.16
Geant4② 1.03 -2.31 -1.09
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(%)
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CALET検出器<CHD> CHarge Detector → 電荷測定• Plastic Scintillator (32mm×10mm×448mm) 14 本 ×2 層 (X,Y)
<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)<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
PbWO4
(PWO) 結晶(SICCAS社 )
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 )
APD
PD19.7mm
13.4mm
Φ 8mm
20mm326mm
19mm
TASC 構造図
𝑥
𝑦
𝑧
16本16 本
12 層
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TASC の信号読み出し
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
6桁以上のダイナミックレンジを確保
APD,PD に各々 Gain の異なる回路を用いることで
10-1 100 101 102 103 104 105 106 [MIP]4
40
400
4000E
ffect
ive
AD
C [c
h]
① ② ③ ④
APD PD
chAPD/PD
gain受光面積
比アンプ gain 比
総 gain 比
①APD+High Gain Shaper 50 18 30 2.7×104
②APD+Low Gain Shaper 50 18 1 9.0×102
③PD+High Gain Shaper 1 1 30 30
④PD+Low Gain Shaper 1 1 1 1
13.4mm
19.7mm PD2.4×2.4mm2
APD10×10mm2
S10937-9351(浜松ホトニクス社)
PD+Low Gain アンプに対する各チャンネルの gain 比
×
×
×
×
×
×
×
×
=
=
=
=
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Landau 分布に Gauss 分布を畳み込んだ関数
分布がランダウ分布になると仮定
Landau distribution Landau 分布
Gauss 分布
Gauss distribution
ペデスタルのゆらぎを Gauss 分布を畳み込むことで補正
・・・
・・・
Landau 分布に Gauss 分布を畳み込んだ関数
畳み込み
Most Probable Value (MP)
𝑥
𝑥
𝑦= 𝑓 (𝑥 )
𝑦=𝑔 (𝑥)𝜎
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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
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)
CHD• Plastic Scintillator 4 層 (z 方向 )(38mm×450mm×10mm)PMT 読み出し
CALETプロトタイプの上面図と側面図
CERN-SPS2011 実験概要
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粒子 電子 陽子 ミューオン
エネルギー (GeV/c) 10,30,100,150,290 30,100,350 150
実験に使用した粒子とエネルギー