液体アルゴン TPC 検出器の開発早稲田大学， KEKA ，岩手大学 B ， ETHZC

岡本飛鳥，岡本迅人，長坂優志，永野間淳二，三谷貴志，寄田浩平，笠見勝祐 A ，木村誠宏 A ，小林隆 A ，田中雅士 A ，西川公一郎 A ，

長谷川琢哉 A ，牧宗慶 A ，丸山和純 A ，吉岡正和 A ，内藤祐貴 B ，成田晋也 B ，

A.BadertscherC ， A.CurioniC ， S.DiLuiseC ， U.DegundaC ， L.EpprechtC ， L.EspositoC ， A.GendottiC ， S.HorikawaC ， L.KnechtC ， C.LazzaroC ， D.LussiC ， A.

MarchionniC ，A.MeregagliaC ， G.NattererC ， F.PetroloC ， F.ResnatiC ， A.RubbiaC ， C.Strabel

C ， T.ViantC

2011 年 5 月 13 日 ( 金 ) 高エネルギー物理　春の学校 @ 彦根ビューホテル

IntroductionIonization Electron

Scintillation Light

Cherenkov Light

Charged Particles

E

液相

液体アルゴンの特徴・性質• 電離電子 (~5×104 個 /cm MIP)• シンチレーション光 (~4×104photon/cm MIP 128nm) 　• 電子捕獲をしない (O2 の除去、純度が重要 )

• 密度 1.39g/cm3, 沸点 -186℃

Physics Motivation νμ→νe 振動における CP 位相の測定 陽子崩壊　 p→ νK+ 　（ 250LArTPC,K1.1BR 実験） 暗黒物質探索（ 10LArTPC, 早稲田開発研究） 2

TPC(Time Projection Chamber) とは

• 荷電粒子による電離電子の読み出しにより、その飛跡を 3 次元で高精度に再構成できる検出器

• 電離信号の大きさから、液体アルゴン中での dE/dx を測定することも可能

05/13/2011

Outline• J-PARC K1.1BR 実験

– 研究動機– 250LAr 検出器とデータ、ビームライン– 取得信号例、シミュレーションデータ– 純度測定

• 10LArTPC 開発研究 @ 早稲田大学– 研究動機– シンチレーション光観測– 電離電子増幅

05/13/2011 3

405/13/2011

J-PARC K1.1BR 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 5

Simulation Study(JHEP 0704:041,2007)　 Background reduction ~105

　 Kaon efficiency ~97%

シミュレーション

K1.1BR 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

K+340MeV/cAr 中の飛程 ~ 20 cm停止直前の K+ の dE/dx は大きい！

250LAr 検出器とデータ

• dE/dx によって、 K/π 分離能力を測定するために…– Tracking Algorithm の確立 ( 荷電粒子の飛跡、停止点の決定）– 減衰による電荷補正←宇宙線 μ による純度測定– チャンネル間補正（電場補正、アンプ特性）

05/13/2011 6

ee e

e

Particle

LAr

Anode

Cathode

IonizationScintillation light

DriftElectric field

y

x

z

0ch 75ch

時間ADC count 入射粒子の飛跡

崩壊粒子の飛跡

停止点( 崩壊点 )

zxPMT

Real Data

… それぞれシミュレーションデータによる検証が必要。

取得信号例

05/13/2011 7

• K1.1BR のビーム– 運動量： 800MeV/c (+degrader)– K/π~1/4 、 3 個 /1 beam bunch(6s)

• 粒子同定– TOF1 、 TOF2– Fitch Cherenkov(K/π)– Gas Cherenkov

• トリガー条件 8

particle

250LArTPC

Gas Cherenkov

Fitch Cherenkov(π-ring,K-ring)

BDC=Beam Defining Counter…Beam’s Final Focus (FF)

LArBDC

DegraderTOF2TOF1

BDC & TOF1 & TOF2 & LArBDC

Beam Line Setup

空気

K,π,p,e

Simulation Setup (Beam Line)

05/13/2011

K Beam

Fitch Cherenkov(FC)

BDC

TOF1 TOF2

Degrader

250LAr

~5.3m

検出器の物質と厚さ

検出器 物質 厚さ[mm]

Fitch Cherenkov アクリル 40

BDC プラスチック 5

TOF プラスチック 20,25

Degrader 鉛ガラス 125

鉛ブロック 25

LArBDC プラスチック 5

250LAr SUS304 （蓋* ） 50

液体アルゴン 836.4

• 250LAr 検出器と Beam Line上のそれぞれの　　検出器を Geant4 を用いて Simulation に実装。

　　黒い部分は空気で満たした。* ただし、中心のビーム窓 (210×210mm2) はハニカム構造

になっている…放射長が短い (radiation length ~ 0.16X0)

　　

9

Simulation (K+→μ++νμ)

05/13/2011

K+

νμ

μ+ 250LAr

10Geant4 によるシミュレーションイベン

ト例

Simulation Data

11

シミュレーションデータで Tracking Algorithm等の評価を行っている。05/13/2011

Simulation Real

TPC Ch10 TPC Ch10

純度解析 eDriDri tNtN exp)( 0

• LAr 中の不純物によりドリフト電子が捕獲される– 　– 40cm のドリフトには 1ppb以下の純度が必要！

(1ppb ⇔ e=300s)

• 解析方法– 容器内 PMTコインシデンスによりトリガー

– 電荷とドリフト時間の関係をプロットし、　　 τe を見積もる。

• 純度解析結果　　実験を通して（ 7 日間）、 τe>300μs を達成

！　　　　　　→ 1ppb以下の純度を常に保持！実験開始時　：　 τ 670μ≒ s( 約

0.45ppb )実験終了時　：　 τ 385μ≒ s( 約 0.78ppb )毎時 0.002ppb 程度の純度の悪化

Preliminary Plot

τ = 671 – 1.90 ( t - t0 )

05/13/2011

ある 1事象の電荷とドリフト時間の関係

純度と液体 Ar注入からの時間の関係

ここまでのまとめ（まだ終わりません）

13

• LArTPC 検出器での核子崩壊探索感度の実験的検証のために J-PARC にてビームテストを行った。

• Simulation data(K1.1BR 、宇宙線信号 ) を作成• 宇宙線信号から液体アルゴンの純度を測定

– 全実験期間で必要な純度 (<1ppb) を達成

• Simulation data を用いて、 Tracking Algorithm等の評価– ノイズの影響– 崩壊点の決定– dE/dx の見積もり– 入射粒子と崩壊粒子の決定

• 実データに、 Tracking Algorithm を適用し、 dE/dx を算出し、

　　 K/π 分離能力を評価する。05/13/2011

1405/13/2011

10LArTPC 開発研究@ 早稲田大学

暗黒物質探索

anode

cathode

grid

EEEE

e-e-e-

S1

PMT1 PMT2

particle

　入射粒子との反応で発生　 　 1 次シンチレーション光 ・・・　 S1　電離電子が高電場中で加速されたときに発生　 　 2 次シンチレーション光 ・・・　 S2

S1 ・ S2 の比で背景事象を取り除くことができる。

( S2 / S1 ) WIMP <<<< ( S2 / S1 ) e,γ

• 暗黒物質探索　　 2 相型 ArTPC で 2種類のシンチレー

ション光　　を捉えることにより、直接暗黒物質探

索を　　行うことが出来る。

2種類のシンチレーション光

e-e- e- S2

drift time

WIMP

drift time

e,γ

05/13/201115

シンチレーション光観測のセットアップと信号例

波長変換剤 (TPB) を用い、 Ar のシンチレーション光(128nm) を検出する。

低温で動作可能な PMT を使用。MEG 実験で使用されたものの改良版

使用したガス : 純 Ar(G1, 純度 99.9999%以上 )真空引きを行った後、ガスを流入。（常温、 1気圧）

PMT self trigger で信号取得

α 線源

Cathode(grid)

grid2

grid1

induction field

S1S2

ガス Ar 中での S1 ・ S2 信号の確認

信号例

grid2

α 線源

3.2cm

2.0cm

EE

PMT

0.7cmgrid1

0.8cm

e-

S2

S1

induction field

cathode

anode

drift field

~8μs

16

S2 信号の電場特性

Drift E = 500 V/cm(fixed)

Induction E = 2.6 kV/cm(fixed)

それぞれの電場で 500事象ずつデータを取得。Average を取り S2 信号の電場特性を確認した。

……… 定量的な解析は現在遂行中である。

Induction 電場と S2 の関係Induction 電場　大　　　↓Ar 分子を励起する電離電子の数　増加　　　↓S2 が増加する！

Drift 電場と S2 の関係Drift 電場　大　　　↓電離電子の再結合　低下電離電子の drift速度　大　　　↓S2 が増加しピーク時間も早くなる！

S1

S1

S2

S2

Induction 電場と S2 の関係

Drift 電場と S2 の関係05/13/2011

GEM + Wire 読み出しセットアップ Wire

GEM

Cathode

grid2Xe Flash Lamp

ΔV

grid1

Drift Field

e-e-e-

Induction Field

• 暗黒物質探索を行うために、　　微小な電離電子信号を取得したい。　　　　→ GEM+Wire 読み出しのゲイン測定

• 使用したガス：純 Ar(G1, 純度 99.9999%以上 )

　　真空引きを行った後、　　ガスを流入させる。（ 1 気圧、常温、封じ切り）

• GEM 間電圧 ΔV を変化させ、　　それぞれ 200事象ずつ信号を取得した。

• ガス増幅による Gain を次のように定義。

-HV

Resistance(100MΩ)

Condenser (2.2nF)

時定数 τ=220ms のハイパスフィルタ

05/13/2011 18

信号量信号量

cathode

anodeGain

(1)(2)

ΔVGEM

Gain 測定結果

2kV/cm (1) 2.5kV/cm (2)

1010V 900V

Wire 電圧2.0kV/cm : Gain~508 (ΔVGEM = 1000V)2.5kV/cm : Gain~568 (ΔVGEM = 900V)

放電電圧の直前までで、

→クエンチャーが入れられないため 放電 しやすい。

(1) GEM による放電(2) 10L容器での放電

GEM単体 Gain~89 (ΔVGEM=970V)Wire単体 Gain~38 (2.5kV/cm)

参照現在までに、ガス Ar 中にて

• ワイヤー電圧は 2kV/cm 、 2.5kV/cm とした。

　　 GEM+ワイヤー読み出しによる Gainの

　　 ΔVGEM 特性は右のようになる。放電電圧

を達成している。

1905/13/2011

Summary & Future Plan

10L容器、 GAr 常温・ 1 気圧中にて、GEM+Wire 読み出しを用いてGain ~ 500 を達成！次の目標より高い増幅率に向けて、

低温での高 Gain ・安定動作を目指す！

10L容器、ガス中にて S2 を確認！ Induction 電場の増加に対する、

S2 増幅を確認。 Drift 電場の増加に対して、 S2 のピークが早くなり、　 信号量が増幅することを確認した。 多段 GEM などを試す

放電対策次の目標気液 2 相型で S2 を確認する！

2 相型 TPC として確立させ、暗黒物質探索を行いたい！

これらを組み合わせることで・・・

※低温での Gain 特性も調べる。

05/13/2011

シンチレーション光 電離電子増幅

20

Backup

05/13/2011 21

22

探索感度

Geant4 Simulation(Beam)

x_mean=5.2cm,σx=8.2cmy_mean=0.2cm,σy=8.3cmx = 0.8 cm y = 0.5 cm

@ BDC(FF ， by simulation)from TREK experiment

@the front of 250LAr Detector (measurement by scintillation counter)

Beam Line

Beam

• BDC での Beam 分布から 1 点、 250LAr 検出器での Beam 分布から 1 点をランダムに　 選び、直線を結ぶことによってビーム方向を決定した。 →Beam の拡がりを Simulation に実装• この条件の上で、 LArBDC を通過した事象を Simulation Data として選択する。

~5m

23

擬似データ作成1. 粒子のエネルギー損失をストリップ毎に計算。

2. W値から、生じる電離電子数を見積もる。3. ドリフト速度から、ドリフト時間 (tDri) を計算。

4. ドリフトし減少した後に各ストリップで読み出される電子量 (NQ) を見積もる。

5. NQ と　 tDri から信号を正規分布で生成。

6. 電子量から、 ADCカウントに変換する。 #electron→charge→voltage→ ADC data 　　　　　　デッドチャンネルを考慮した。

7. ノイズを付加する。 ペデスタルの揺らぎ (σ=2~5ADC count)　　　　　　　　　　　　 or 実データを用いたノイズ

　　 を導入。

W value[eV] Drift Velocity[mm/μs]

23.3 0.8

K

μ

ee

ee

ee

e ee e

ee

ee

ee

e

Anode

Cathode

ee

ee ee e

NQ

Electric field

40cm

N0

drift

eDriQ tNN τ exp0

NQ

tDri

σ= 3.6μs

t

電子

量

24

宇宙線信号例

25

宇宙線がほぼ垂直に抜けた例（赤線：トリガタイミング）

シャワーがトリガされた例

多重散乱で飛跡がまがっている例δ 線も見える

ほぼ全てのチャンネルにわたり、まっすぐな飛跡が見えた例

05/13/2011

ノイズ除去について

26

（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

05/13/2011

ヒット・クラスタ探索手順

• 閾値を超える連続した ACDカウントの数が

　　一定数を超えた場合　　にヒットとする。　　（下図の各 BOX ）

• 隣接するヒットをつなげクラスタを構成

　　（下図の各色）27

閾値

ヒット１ ヒット２

ヒット３

ヒット１

ヒット３

ヒット２

05/13/2011

Comparison with data

28

• K のデータとの比較– LAr 中のビームの拡がりや，ビームの到達距離などが、　 Simulation によって、おおよそ再現できている。

• 今後、このシミュレーションを用いて Tracking Algorithmの評価を行っている（現在進行中）。

0 20 40 60TPC Channel

0

100

200

300

Simulation (300事象の重ね合わせ )

0 20 40 60TPC Channel

Tim

e[μs

] Real data (300事象の重ね合わせ )

気液 2 相型のセットアップと結果

cathode

anode

grid2

α 線源

3.2cm

2.0cm

EE

PMT

0.7cm

白金抵抗 1 0.8cm

drift field

extraction field

気・液 2 相の Ar 中での S1 ・ S2 信号の確認

液面液面

• 液面を extraction領域に保持。 (誤差 1mm以下 ) ( 液面計・白金抵抗 )

•extraction領域に高電場をかける。 (~5kV/cm : 電離電子を気相に取り出すため )

白金抵抗 2

grid1

液面 : grid2 から 0.3cmdrift 電場 : 900V/cm 固定

extraction E6kV/cm

extraction E0 V/cm

S1 S1 PMT self trigger でそれぞれ1000 イベント データを取

得し、Average を取った。

S2 信号が見えていない。 S1 信号の遅い成分が見えていない。( 純度が悪いと考えられる。 )

純度が悪いため電離電子が液中で減衰し S2 が見えていないと思われる。

今後純度を改善し、 2 相型で

電子を気相に取り出してS2 信号を確認する。

4.4×10-4Paまで真空を引いた後、容器を冷やしガスＡｒを流入、 10L容器を 1 気圧に保ったまま

液化。

JINST 5:P05003,201005/13/2011 29

10LArTPC 中のPMT

05/13/2011 30

Hamamatsu R6041-06MOD変換剤： TPB( テトラフェニルブタジエン )

31

ドリフト電場とドリフト速度の関係

シンチレーション光 (S1 ・ S2 に関して )

S1

S1S2 S2

grid2

α 線源

3.2cm

2.0cm

EE

PMT

0.7cmgrid1

0.8cm

e-

S2

S1

cathode

anode

e-光電効果

ある頻度で S1 が grid に当たり光電効果を起こすと考えられる。

05/13/2011 32

電離電子増幅

Recoil Energy (MeV)

5kV/cm

1kV/cm

反跳エネルギーを 50keV と仮定すると、生成される電離電子は、 ~10 個ほど　 (by ArDM group)→ 電荷量 1.6e-3[fc]

暗黒物質探索のためには、 Gain が ~1000 必要！

厚型 GEM (T-GEM-100-400/700) 穴径 : 300 μm ピッチ : 700 μm 厚み : 400 μm

自作の読み出し基板 材質 : 金メッキタングステン ( 金 3%) 直径 : 30 μm ピッチ : 5 mm 張力 : 0.45 N

暗黒物質探索を行うために、微小な電離信号を取得したい。

PreAmp(Amptek A250) input charge 1fC → output height 1mV

増幅のためのツール

GEM + Wire 読み出しセットアップ

05/13/2011 34

Wire – grid1 6mm 2 or 2.5kV/cm

GEM(top) – Wire 6mm 2 or 2.5kV/cm

GEM(bottom – top) ΔV = variable

grid2－GEM(bottom) 7.5mm 500V/cm

Cathode – grid2 10mm 200V/cm