CALET-TASC プロトタイプの CERN-SPS による性能実証試験

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


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


フィッティング関数

Si Tracker を用いた PWO の座標算出


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


• 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


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


• 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


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


• 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


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


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


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 (%)



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 (%)


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(%)


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


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

×

×

×

×

×

×

×

×

=

=

=

=


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


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


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

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