計画研究A05

KOPIO実験とその検出器開発の現状
Tadashi Nomura
Kyoto Univ.
Contents• What is KOPIO?
• KOPIO R&D in Japan• Prospects of KOPIO

March 4-5, 2003

特定領域「質量起源と超対称性の物理」研究会 （筑波大）

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What is KOPIO?

Physics in KOPIO
KOPIO=KLÆπ0νν測定実験 @ BNL– Jarlskog不変量に比例

J CP = ImV V λ (1 −*ts td• CP非保存を特徴付ける– 理論的不定性が小さいλ22)

KOPIO• 標準理論を検証するスーパー
クリーンモードの一つ
KÆπνν, BdÆJ/ψKs ,xd/xs– Beyond the SMの探索• K系（荷電・中性KÆπνν）とB系（内角測定）三角形の比較
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2What is KOPIO?

KOPIO Concept

K L → π νν
0

中性粒子

2γ 崩壊

つまり「π0からの2γ」と「他には何もない」

見えない崩壊領域を覆うハーメチックVETO

KL静止系でのKinematics
2γ の vertex、不変質量を再構成
マイクロバンチ陽子ビーム⇒TOF測定（中性粒子の!!）⇒KL静止系で適用可能
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信号光子の位置、エネルギー、角度、時間を測
定3

What is KOPIO?

KOPIO Apparatus Drawings
γ 方向測定60

下流VETOIn-beam VETO

平面図
崩壊領域
VETO
γ カロリメータ
側面図
崩壊領域
VETO
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What is KOPIO?

KOPIO Apparatus with Institution Labels

In-beam γ veto“Beam Catcher”
日本グループの担当箇所

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What is KOPIO?

KOPIO Goal
• ４０信号イベント• 陽子強度 100 TP / pulse × 6000 hours• Ｓ／Ｎ比 ２• 予想されるバックグラウンドの内訳
13– KÆπ0π0– KÆπ0π+π−1– KÆπ−e+νγ
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KOPIO R&D in JapanR&D Highlights in 2002
• BNL-AGS マイクロバンチテスト(BNL)• バンチ幅(r.m.s.) 244ps ⇔ 要求 250ps• バンチ間 extinction 3-4% ⇔ 要求 10-3» パワーサプライのリップルの問題• Pre-radiator プロトタイプ(TRIUMF)• 小型タイプ=テスト中、2mタイプ=建設中、読み出し回路開発• Calorimeter プロトタイプ(Yale)• 20モジュール製作、宇宙線テスト、PMT/APD読み出し• Beam Catcher プロトタイプ
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(Kyoto/KEK)

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KOPIO R&D in JapanR&D Highlights in Japan• Beam Catcher– 第一次、第二次プロトタイプ– エアロジェル発光量評価システム

Done
In progress• 線源＋ギャップ型ソレノイド磁石 ⇒ テーブルトップ・β ビーム– エアロジェル品質チェックシステム

Done• 屈折率・透過率測定• Charged Veto
– 光検出器（相対）量子効率評価システム

In progress• バイアルカリ（通常カソード）PMTとGaAsPカソード（超高量子効率）、緑感度増強PMTなどの比較
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KOPIO R&D in Japan

What is Beam Catcher?
ビームホールをカバーする光子VETO– 守備範囲 水平方向4m 高さ20cmまたは40cm– 大量のビーム中性粒子（主に中性子）にさらされる• ３００個/µ-bunch (>830 MeV)、10GHｚ相当– 性能要求• >99% for 300 MeV photon• <3x10-3 for 830 MeV neutronÆ鉛＋エアロジェル、分散配置を採用• 遅い核反応生成粒子では発光しない• ビーム方向モジュール間コインシデンスでγ の方向情報が得られる⇒二次 π0 からの崩壊 γ を排除できる
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KOPIO R&D in Japan

シミュレーションによれば•光子に対する効率•中性子感度とも要求を満たせる

Efficiency
光子に対する効率

Expected Performance by Simulation
1.1

シングルモジュール10.9

二層コインシデンス

0.8
0.7

(6,0)
(6,1)

0.6(6,3)(10,3)

0.50.400.2

光子に対する効率〜99% @ 300MeV

0.40.6

Æ 検証が必要

Efficiency

しかし、1GeV辺りの原子核反応シミュレーションを誰が信じるだろうか?

中性子に対する感度

Photon energy (GeV)

光子エネルギー (GeV)−1

10

シングルモジュール−210

二層コインシデンス−310(6,0)
(6,1)
(6,3)
(10,3)−410

10−5012中性子感度
10-3 @ 830MeV
3

Neutron kinetic energy (GeV)

中性子運動エネルギー (GeV)
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KOPIO R&D in Japan

Beam Catcher 第二次プロトタイプ• 二軸非対称パラボラ鏡• 陽子に対するレスポンスを評価（中性子の代用）– シングルモジュール– 多層（二層）配置

エアロジェルと鏡部分
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KOPIO R&D in Japan

第二次プロトタイプ光量確認• π+に対する光量

光電子数

1/β2 依存性
光量∝1-1/n2β2

光量分布〜9 p.e.

光電子数•光量はシミュレーションをよく再現•但し、理解できていないモジュール間ばらつきが残る（約15%）

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KOPIO R&D in Japan

陽子に対するレスポンス
中性子の代替としての陽子ビーム （KEKPS-T1）
シミュレーション

シングルモジュール←陽子
1.2GeV/c以上の差はknock-on 電子によるもの←中性子
二層コインシデンス
陽子と中性子の差はほとんどない
原子核反応をエンハンスしてテストすれば十分類推が可能

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KOPIO R&D in Japan

陽子に対するレスポンス（１）• シングルモジュール感度

10-2– 低運動量でMCからずれる⇒下図参照– 高い側はよく一致

エアロジェルなし

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10-4

差し引いた結果

エアロジェルなしでの発光
おそらくガスシンチレーション

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KOPIO R&D in Japan• 二層コインシデンスでの感度• 上流に厚い鉛板を置いて原子核反応をエンハンス• 鉛板を見込むように下流層のモジュールを配置

陽子に対する感度

陽子に対するレスポンス（２）黒: データ
赤: MC

10-3

10-5
青: エアロジェルなし

陽子運動量 (GeV/c)

20mmt 鉛板

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二層コインシデンス結果• 傾向は再現• MC予測よりデータは約50％増
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KOPIO R&D in Japan

Beam Catcher R&D summary• 第二次プロトタイプ– 実機と類似の二軸非対称パラボラ鏡の試作– パイオンでの光量評価 (KEK-PS T1)• MCとよく一致 エアロジェル透過率の詳査が鍵– 陽子での中性子反応の類推 (KEK-PS T1)• シングルモジュール– 放射体なしでのバックグラウンド N2シンチ?
– 差し引けばMCを再現– 二層コインシデンス⇒ 原理試験の完了• 50％程度でMCを再現
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Prospects of KOPIO

スケジュール – Budget Status –米国2004年度
NSF予算要求

RSVP（KOPIOを含む）建設は米国2006年度からスタートと明示された（2005年10月からの予算年度）
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Prospects of KOPIO

スケジュール – ダイジェスト –– 2003−2004• ビームライン設計および各検出器の開発– 2005−2007• 本格建設期間• ビームライン完成 (2006)– 2006末−2008• ビームサーベイ、エンジニアリングラン• データ収集開始

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Summary• 計画研究A05の一つの柱としてKOPIO実験のための開発が進んでいる• 日本グループ担当のBeam Catcherは二世代のプロトタイプを経て原理試験を完了するなど順調に開発を進めている• NSFの予算計画でKOPIO/RSVPの予定が明確に示され、US2006年度からの建設に向かう• 本科研費はKOPIOの開発遂行と建設の一端において重要かつ適宜な役割を果たすものである
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