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MEG 実験 液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究

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MEG 実験 液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究. 東大 素粒子センター 金子大輔 他 MEG コラボレーション. Contents ・ MEG γ-ray detector ・ What limits E-resolution ? ・ Studied items ・ PMT Gain Stability ・ Photo-c athode effective size ・ Reflection on photo-cathode ・ S ummary. Liquid Xenon D etector. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: MEG 実験  液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究

MEG 実験 液体キセノンカロリメータにおけるエネルギー分解能の追究

東大素粒子センター 金子大輔他 MEG コラボレーション

Page 2: MEG 実験  液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究

Contents

・ MEG γ-ray detector・ What limits E-resolution ?・ Studied items ・ PMT Gain Stability ・ Photo-cathode effective size ・ Reflection on photo-cathode

・ Summary

2012/9/12 日本物理学会秋季大会 @ 京都産業大学 2

Page 3: MEG 実験  液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究

Liquid Xenon Detector

・ 846 2” PMTs immersed in 165K Liquid xenon

・ Reconstruct incident γ-ray from collected VUV scintillation photons.

Performance (for signal γ)

Efficiency 62.8 %

Energy resolution (w>2) 1.7 %

Position resolution (uv, w) 5, 6 mm

Time resolution 67 ps

Energy resolution is worse than Monte-Carlo simulation.

at run2011, preliminary

γ

e+

2012/9/12 日本物理学会秋季大会 @ 京都産業大学 3

u

v

w

Page 4: MEG 実験  液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究

002

001

How to Get Energy

000

846 PMTs

charge

softwarefiltering integration

waveformdigitizer

# of p.e.

u, v, w

p.e. 000

p.e. 001

p.e. 002

Σ of p.e.

weighted sumby PMT area

energysolid-angle correction

non-uniformity correction

Gain, QE

depth

waveform

face-factor correction

position factor

adjust absolute scale

2012/9/12 日本物理学会秋季大会 @ 京都産業大学 4

Calibrationruns

Page 5: MEG 実験  液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究

What is problem ?Total collected photo-electron number is statistically enough.50000 photo-electron → 0.45% in σ

Actual resolution is 1.0% for Monte-Carlo, 1.7% for data.Result of large prototype test : 1.2%There must be un-understood event-by-event fluctuations !

σUP

MC DATA2011

Energy resolution mapping2012/9/12 日本物理学会秋季大会 @ 京都産業大学 5

response functionfit function

data

Page 6: MEG 実験  液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究

Studied items

・ Systematic error of QE estimation・ Gain non-uniformity in a PMT

A: PMT Gain stability  ○ gain instability effect to resolution.

B: Case of smaller PMT active area  ○ if sensitive area were smaller, photon collection would    fluctuate more

C: Reflection at PMT photo-cathode  ○ Dependence of light collection efficiency on the relative    position between PMT & conversion point could be enhanced    

already known not to affect so much (reported in 2012 spring JPS meeting)

2012/9/12 日本物理学会秋季大会 @ 京都産業大学 6

Page 7: MEG 実験  液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究

A: Stability of PMT gain

この間 4 分PM

T c

harg

e

Charge from one PMT in LED event fluctuate about 3% in run.

That time, I checked only about 10 min of MEG run and only some PMTs.

I checked more precisely.For all PMTEvaluate statistical fluctuation.

In spring JPS meeting…

We are monitoring PMT gain in MEG physics run, by flashing PMT every a few second.

2012/9/12 日本物理学会秋季大会 @ 京都産業大学 7

Page 8: MEG 実験  液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究

Calculation of number of photoelectron

Calculate mean & σ of N p.e.by fitting with Gaussian.

Example PMT 000

Np.e.

Average Np.e. for all PMT

0

1000

2000

Average for all PMTs : 757.2

2012/9/12 日本物理学会秋季大会 @ 京都産業大学 8

Subtract normal statistical fluctuationassuming Np.e. is distributed in poisson distribution

Page 9: MEG 実験  液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究

Result : A

Average gain fluctuation is0.78% in MEG run

Statistical error is about 0.2-3 % →

In other data0.70% in LED run (beam off),0.99% in CEX run (pion beam).

remainder gain fluctuation σadd

This fluctuation hardly worsen total energy resolution, because gain fluctuation is random for each PMT in a event.

2012/9/12 日本物理学会秋季大会 @ 京都産業大学 9

Page 10: MEG 実験  液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究

B: How PMT area affect ?

If PMT’s cathode were smaller than designed size, this fluctuation would become larger.

for example from・ cathode deterioration・ effect of B field・ etc.

It is already known that difference of relative position to PMT causes additional fluctuation in photon collection.

2012/9/12 日本物理学会秋季大会 @ 京都産業大学 10

Page 11: MEG 実験  液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究

Generated MC

d < (PMTsize) ?

dhit

Event generation : signal γ (52.8MeV)

u [cm]v [

cm]

used area

Range : center 18PMTnot to see non-uniformity ↓

Radius[cm] Area (ratio)

Case 0 2.25 100%

Case 1 2.15 91%

Case 2 2.00 79%

Data 2011 charge-exchangecalibration (55MeV γ)

2012/9/12 日本物理学会秋季大会 @ 京都産業大学 11

I studied the simple case PMT cathode is concentrically smaller.

Page 12: MEG 実験  液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究

Result : B

Blue : normalGreen : 21.5mmRed : 20.0mmBlack : data

Resolution of real data is worse than MC, in all depth region.(0.6 ~ 0.8 % in σup)

It is hard to explain discrepancy between MC & data with PMT’s smaller cathode size, because no visible effect is seen.

2012/9/12 日本物理学会秋季大会 @ 京都産業大学 12

depth [cm]

E r

eso

luti

on :

σu

p [

%]

Page 13: MEG 実験  液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究

C: Reflection on PMT cathode surface

Current MEG Monte-Carlo simulation only consider reflection on quartz window.↓introduce reflection on cathode surface

HIT

2012/9/12 日本物理学会秋季大会 @ 京都産業大学 13

solid :cathode refl. black: detectdashed :no cathode refl. red: reflect

green: absorb

liquid xenonnx 1.621 (@178nm)

quartz windownq 1.610 , Labs 21mm

photo-cathode(sensitive detector)Rnc 1.920 , Inc 1.690

2.5

Page 14: MEG 実験  液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究

Result : C

Energy resolution become worsein all depth by 0.2 ~ 0.5%.This can’t explain all discrepancy between MC & data, but is not ignorable part if this is true.

Photon distribution got little closer to data. Parameters were not good ? ↓

2012/9/12 日本物理学会秋季大会 @ 京都産業大学 14

Blue : w/o reflectionGreen : + reflectionRed : MEG data

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SummaryI studied energy resolution of MEG γ-ray detector.

Following results were obtained,

  ・ PMT gain is stable enough in MEG data taking.  ・ PMT cathode size does not affect resolution.  ・ Reflection on cathode surface can cause a part of    discrepancy between MC & data.

Prospects

2012/9/12 日本物理学会秋季大会 @ 京都産業大学 15

・ Understand mechanism how reflection affects resolution.・ Optimize optical parameters of PMT material.・ Seek another cause of E-resolution discrepancy.

・ Improve current energy analysis method.・ Use for upgraded detector.

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おわり

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Page 17: MEG 実験  液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究

オマケ

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Page 18: MEG 実験  液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究

Calculate mean & σ of Np.e.by fitting histogram.

Analyzed data

Black : MEG physics dataRed : Charge exchange calibration runBlue : LED gain calibration run

Example PMT 000

Np.e.

Average photo electronsMEG : 757.2CEX : 749.1LED : 759.5

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Fluctuation by Position

Left : LED nphe mean

Right Top : RMS (relative)Right Bottom : Subtracted Statistic

2012/9/12 日本物理学会秋季大会 @ 京都産業大学 19

Page 20: MEG 実験  液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究

B

high

lowor 0?

※ this is imaginary picture

B dependence of total gain come from position dependence of gain (collection efficiency) ?

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Page 21: MEG 実験  液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究

Photon collection (project to U direction)select event here

Notice

Data have lower peak & longer tail.

Cathode reflection is hidden due to small statistics?

From where can I cut summation for energy calculation?

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Page 22: MEG 実験  液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究

Introduction of photo-cathode reflection

Black: normal MCRed : cathode reflection

Average Nsum2normal : 3.365e5reflection : 2.387e5

No obvious difference except nearest 3 rows.

Is this affect to energyresolution? ↑checking…

44.51%

3.28% 0.37% -0.004%

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Page 23: MEG 実験  液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究

2012/9/12 日本物理学会秋季大会 @ 京都産業大学 23

rati

o o

f photo

ele

ctro

n

Blue : normal MCGreen : data

Ratio of PMTs near to conversion point is smaller in data.

Difference in photon distribution between data & MC can be explained from this? →

PMT row