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XMASS converts into a spherical LXe TPC
Hiroyuki SekiyaICRR, University of Tokyo
Kayo Kanzawa, Yoshitaka Itow, Kimiaki MasudaISEE, Nagoya
University
Ioannis GiomatarisIrfu, CEA Saclay
アクティブ媒質TPC開発座談会 2017年4月22日 KEK
This work is supported by JSPS KAKENHI Grant Number 257070150
and 25610054
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2TPC KEK 2017.4.22関谷洋之 アクティブ媒質 開発座談会
• XMASS– LXe spherical detector
Motivation
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3TPC KEK 2017.4.22関谷洋之 アクティブ媒質 開発座談会
Surface background problem in low energy region
• Software vertex reconstruction with Q & T information of
scintillation light may fail when the number of photoelectron is
limited.– Especially surface BG events would be mis-
reconstructed in the fiducial volume.• Improvement of the
hardware is indispensable.
– New PMTs for XMASS 1.5 passive way… Q reconstruction and T
cuts
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• １相型TPC
5TPC KEK 2017.4.22関谷洋之 アクティブ媒質 開発座談会
アクティブ媒質：やはりハード的に位置を再構成できるべきだ
5
TimeS2S1
Xe検出器：scintillationとionizationの両方を検出可能
TPCとしてはStart:S1：Direct interactionにPrimary
scintillationStop:S2：S1発光時のionzied電子を電場によりドリフトし、高
電場で電荷増幅した際に発光するproportional scitillation
現在2相式Xe-TPCが結果を出している長期間の測定では気相-液相間の液面管理の問題
S2発光まで液中で行う1相式液体TPCを考える液体のみなので形状に自由度ができる
Doke Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 41 (2002)
液体Xeの特徴• Large ionization yield and high scintillation
efficiency
(W=15.6 eV, Wph=19.5 eV)• High speed of drifting electrons by
electric field
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• ワイヤーによる液中でのS2観測に成功– 閾値400kV/cmを確認 →菅澤talk
– GEMはダメでした。
– 課題：どこまで低エネルギーで実現できるか• 207Bi (0.55,1.05MeV 𝛾𝛾, 0.98MeV 𝛽𝛽)
K. Masuda et al., Nucl. Instrum. Meth. 160 (1979) 247
• 109Cd (22keV 𝛾𝛾) 鈴木聡 日本物理学会Vol.53, No.3, 1998• 210Po (5.4MeV
𝛼𝛼) E. Aprile et al., 2014 JINST 9 P11012
• 球状LXe-TPCを見据えつつ、単純な形状でR&Dを行う。– ワイヤーを用いたXMASS円筒形化–
「球状電極」の開発
開発の現状と方針
6TPC KEK 2017.4.22関谷洋之 アクティブ媒質 開発座談会
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• 既存のResourceを活用– 半径38.6 cm、高さ58.1cm の
Active volumeの円筒形を確保できる。
– LXeの質量は約805 kgで今ほぼと同じ
円筒形XMASS
7TPC KEK 2017.4.22関谷洋之 アクティブ媒質 開発座談会
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• 球状ガス検出器 NEWS-G球状検出器: ガスならば既存
8TPC KEK 2017.4.22関谷洋之 アクティブ媒質 開発座談会
E=A/R2
1-15 mm
C≈ Rin= 7.5 mm < 1pF
A Novel large-volume Spherical Detector with Proportional
Amplification read-out, I. Giomataris et al., JINST
3:P09007,2008
• Simple and cheap
• Large volume
• single read-out
• Robustness
• Good energy resolution
• Low energy threshold
• Efficient fiducial cut
• Low background capability
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Ioannis’s spherical detectors
9TPC KEK 2017.4.22関谷洋之 アクティブ媒質 開発座談会
Low background detector d=60 cm p=10 bar University of Saragoza
detector
University of Thessaloniki detectorUniversity of Tsinghua - HEP
detector
Basic R@D detector in Saclay
Queens University test spheres Radon Monitoring(for SuprNEMO)@
CPPM
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• 140 cm Ø detector, 10 bars, Ne, He, CH4• Copper 1 µBq/kg
NEWS-SNO
10TPC KEK 2017.4.22関谷洋之 アクティブ媒質 開発座談会
DEAP
Miniclean
NEWS
Lead shieldCopper sphere
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• 中心の電場は高くても表面は低い– 電子をドリフトできないと意味ない！
問題
11TPC KEK 2017.4.22関谷洋之 アクティブ媒質 開発座談会
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• 11+ balls electrode with 3D pronter
Multi-ball “Achinos” structure
12TPC KEK 2017.4.22関谷洋之 アクティブ媒質 開発座談会
Using 3D printer
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• 6 ballsThe effect of multi balls
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• 1 ball
• Ioannis recommends 11+ balls system
6 ball systemVach = 1000 VVb = -200
1 ball system (R = Rb + d + r)V = 1000 V
TPC KEK 2017.4.22関谷洋之 アクティブ媒質 開発座談会
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• 150μm 半球/針
最初のテスト
14TPC KEK 2017.4.22関谷洋之 アクティブ媒質 開発座談会
2016 Dec. 2017 Jan. 2017 Mar.
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2017 Apr. 6
15TPC KEK 2017.4.22関谷洋之 アクティブ媒質 開発座談会
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Feedthrough放電で8kV到達できず
2017 Apr.12
16TPC KEK 2017.4.22関谷洋之 アクティブ媒質 開発座談会
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• フィードスルー周りの開発– 溶出しないものが必須
– テープとかアラルダイトとか使えん！– ガス中放電対策試験セットアップの用意
• ワイヤーを用いての定量的S2測定• 針での再検証 80µm or 50µm• 11+ echinus / spherical
IVCの設計• できれば今のXMASSのShutdownの前にキャリブレーションロッドにマウントして導入したい。
計画
17TPC KEK 2017.4.22関谷洋之 アクティブ媒質 開発座談会
XMASS converts into a spherical LXe TPCスライド番号 2Surface
background problem in low energy
regionSUSY-WIMPを探すにはアクティブ媒質：やはりハード的に位置を再構成できるべきだ開発の現状と方針円筒形XMASS球状検出器:
ガスならば既存Ioannis’s spherical detectorsNEWS-SNO問題Multi-ball “Achinos”
structure The effect of multi balls 最初のテスト2017 Apr. 62017
Apr.12計画BackupsS2 in Liquid?The Glass GEMCryogenicsThe glass GEM
setupExpected electric fieldNo S2 was observed….No bubble is
produced by G-GEMElectrons were really driftedS1 light yield as a
function of the fieldShould take a step back to “wire”The wire
setupFormed electric fieldS1 59.5keV signal @0VS2 signal @ 4.5kV
Mainly caused by 5.5MeV a, not by 59.5keVS1,S2 and drift time
distributions@ wire 4.5kVThe clusters correspond to a the
peak4.9kV4.7kV4.5kV4.2kV4.0kV3.5kV3.0kV2.0kVS2 amplitude as a
function of wire voltage137Cs 662keV irradiation from
outsidePrevious worksLower energy S2 investigation needs higher
voltageSimulation studies on the electrode for spherical
detectorFirst step: S2 observation with needle in the current
setup1st attemptLess than 200mm ball is neededMore than 7kV is
needed for 200mm ballSummaryExtra slidesS2 spectra S2 spectra Cs
irradiation @ 3kVIn 2013 Does MPGD work? Trieste
MPGD2015液体Xe導入どう使うかスライド番号 65
