TOP counter R&Dの成果・現状
名古屋大学 N研
江成 祐二
Contents
1. Introduction
2. Principle
3. Beamtest
4. Photon detector
5. Install to Belle
6. Summary

Motivation
Belle実験のupgrade用PID（π/K） deviceの開発
B-→D0(K-π+)K-

600

400
㪙㪙㩷㪹㪸㪺㫂㪾㫉㫆㫌㫅㪻$ &π DCEMITQWPF
2000-0.2

-0.1

00.1

∆E(GeV)

current PID system

B-→D0(K-π+)K-

1000$ &- 5KIPCN

0.2#events/10MeV#events/10MeV800$ &- 5KIPCN
800
600400㪙㪙㩷㪹㪸㪺㫂㪾㫉㫆㫌㫅㪻$ &π DCEMITQWPF

2000-0.2

-0.1

00.1

∆E(GeV)

0.2

Belle検出器に導入π/Kを ４σ での識別を目指す。
2003.3.4

特定領域研究会＠筑波大学

2DIRCTOP counter とは石英を用いた
リングイメージ型粒子識別装置• simple• high performance

TOP counter
伝播時間TOPと水平放出角Φを測定

2003.3.4

特定領域研究会＠筑波大学3

Principle
yz

50xi
Rad

Photondetectors

R=1LdwarForΦ

mgroup light velocity

θin

1qz(θc,Φ)Horizontal angle
qz ; z component unit vector

eI.P.

p=3GeV/c, L=2m, θin=90.
(normal incident angle)

e+
17.4

∆TOP = 200ps

17.2

K

17TOP

π/Kの時間差TOP : θcπ > θcΚ Æ TOPπ < TOPKTOF : βπ > βK Æ TOFπ < TOFKÆ ∆Time = ∆TOP + ∆TOF
（200ps = 160 ps + 40 ps)

2003.3.4

Time Of Propagation

20mm

TOP(θc,Φ) = ( vgL(λ) ) ×(ns)Butterfly-shaped mirror(Focusing mirror)

60mm

r-ato

Particlebar(31)
mm

16.8

π

16.6

特定領域研究会＠筑波大学-100

Horizontal angle Φ10(degree)4

Uncertainty of TOP

If σTOP ~ 150ps,∆TOP
S~
6.5~ 1.2σ
σTOP
N (exp.)=30ph2003.3.4

特定領域研究会＠筑波大学

5時間分解能 (波長依存性)

Cherenkov AnglenÆ大θc Æ 大time Æ 短(σθ = -120ps)

light velocity
nÆ大Vg Æ 小time Æ 長(σv = 240ps)

逆向きに働くÆ resolutionは小さくなっている。
(σchro = 120ps)

時間を測定することにより、π/Κの差を大きくし、分解能を小さくしている。
2003.3.4

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6

R&D

2003.3.4

原理面の研究光検出器開発•mirror-TOP•Bar-TOP

good timing resolution
workable under 1.5T
position sensitive

Beam test
Ring image
Time resolution- Fine mesh PMT- MCP PMT,- HAPD- SiPM

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7

proto-type TOP counter

2003.3.4

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8

Beam test result : mirror-TOP counter- Ring image -• resolution

2003.3.4

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9Beam test result : mirror-TOP counter- Time resolution -arbitrary

Time-distribution
timewalk corrected.

σ = 83 ps

knock-on component-10TDC1(ns)2time resolution (ps)

TDC distribution

bar 1bar 24003002001000L = 0.1m

00.6m

11.1m

1.7m

23
path length (m)Time resolution (σTOP)
With improved polishing accuracy of the quartz bar,σt = 300ps
2003.3.4

2.3m

4150ps (@L=2.3m)

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10

Crystal bar• The quality of polishing– the company• Okamoto optics, Zygo, BINP(Russia)– polishing accuracy– How much it is?
– figs.

2003.3.4

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Polish company• 大面積を光学研磨 （しかも６面体）
Æ普通の研磨会社ではできない。
研磨可能な会社• Zygo
世界的に有名な会社• Insync
DIRCのバーを作った会社• 岡本光学加工所
横浜にある。bar-TOPを発注。
望遠鏡「すばる」の副鏡も製作• BINP (Russia)
2003.3.4

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直径５ｍの研磨機
表面粗度 ５Å
表面精度 〜2λ（1m）
真直度〜0.4mrad
12

Further simplified TOP counter
TOP counter : simplicity and compactness
y200mmzx

Photon detector

To measure TOP and X

2003.3.4

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The advantages of simplicity- No extra parts are necessary.
- # of det. photons are increased by 1.7.
|Φ| < 45 --> |Φ| <80- # of channels are decreased by < 1/5.
- total polished area is decreased.
--> quality is easy to control.

13

Principle of bar-TOP counter
ZBar width= 200 mmxX

60 mm

Xtrue

0.587E+04(ns)

17.4

TOPL

17.2

Time interval
1716.8(|X| < 100mm)

To measure
X instead of Φ

16.6
-100

050

100X(mm)-30

030X (mm)The ring image can be obtainedin TOP vs. Xtrue

In practice, the width is finite.
The photon direction is reversedon the side plane
2003.3.4-50

特定領域研究会＠筑波大学If the time interval is large enough,we can reconstructcherenkov ring by analysis.
14

simulation study - barTOP counter Nph~2（f(θc)f）exp.
detχ2 = Σ
n=1
σ2

p=3GeV/c, L=2m, π−Nph ≅ 30

K π

The bar width get wider, we can solve X-TOP correlation.
2003.3.4

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proto-type counter- bar-TOP -2003.3.4

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Beam test result- bar-TOP ring image x=-50mm, L=30mmにビームを入射

63-50mm

12TOP

45(ns)

7

KEKπ2 line, 3GeV/c π−Clear ring image!!
2003.3.4

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time resolution (ps)beam test result - resolution 時間分解能
旧型 mirror-TOP
新型 mirror-TOP

400

bar - TOP300

bar-TOP200

20°<Φ<60°の領域で評価

100
L = 0.1m

000.6m

11.1m

1.7m

2.3m

23
path length (m)σ ≅ 130 ps （＠L=1.7m）
mirror-TOP と同程度

4

基本性能として必要不可欠な時間分解能が出ていること が確かめられた。
2003.3.4

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R&D
原理面の研究光検出器開発•mirror-TOP•Bar-TOP

good timing resolution 〜100ps
workable under 1.5T
position sensitive 〜1mm

Beam testring image
時間分解能

2003.3.4- Fine mesh PMT- MCP PMT- HAPD
- SiPM

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B strength (T)
00.5

11.5

M.Hirose, et al. NIM-A460(2001) 326

Fine-mesh PMT L24(HPK)- single photon irradiation -total charge

2.0γβα

B=0T

B=0.2T

B=0.6T

5 10 15 20

5 10 15 20

5 10 15 20200mV/div.

Anode channel
2ns/div.

200300175

TTS σ TTS (ps)1.5

TTS σTTS (ps))mm( xσ daerps langiS

00.5
1.0200100

150125100

L24 - αL24 - βL24 - γL24- β
L24- γ
610710810Gain

000.51B strength (T)2003.3.4

1.5L24-γ： その他3本が同等の性能を有し、再現性も確かめられている
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20

HAPD

2003.3.4

S.Matsui, et al. NIM-A463(2001) 220

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ADC
100125(ch/25pC)
150

175

200

4060

MCPPMT

1000# of entries)sp52/hc(CDT020

σ = 26.1ps
5000-1001020

TDC (ch/25ps)
2003.3.4

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Belle detectorに導入

幅400mmの bar-TOPを用いるとする
barの数
3.3m ×１６本
channel数 (5mm pitch) ････ 1280ch.

2003.3.4

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23

Kaon Momentum Distribution

expected separationp (GeV/c)

5Two-bodyB→ππ/πK/KK

4.5
4b→c→s(tagging)

3.5
32.52Separation

S= S1p.e. ・ Nph

1.5
10.50-1-0.8 -0.6 -0.4 -0.2

00.2

0.4

0.6-cosθ

4

Hard to separate π/K around θin = 45, p=3.5GeV/c region.
2003.3.4

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24

0.8

1

Belle detectorに導入するためには....
• 時間分解能をさらに向上– 長い波長領域を使う．
Æ beam testで確認済み• 検出光子数を増やす– 石英の厚みを増やす?
– Q.E. （GaAs,GaAsP）の高い光電面を用いる。
Æ HPK、BURLEでMCPに導入できる。

Bar TOP counter & MCP PMT
2003.3.4

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25bar-TOP & MCP PMT
λ>450nmσtts =50ps••4

ほとんどの領域で4σ以上のπ/K識別が得られる。
Æ MCPが使えれば TOP counter はBelleに導入可能
Backgroundの影響、それに伴いバーのサイズ、ch数を最適化する
2003.3.4

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26

まとめ
• 現在までの成果– bar-TOP, mirror-TOPの考案、beamtest• ring image• time resolution

Æ 基本的な稼働特性は把握。

• Belleへの導入に向けて
bar TOP& MCPで現実的に実現可能.
background等を考慮しサイズ等を最適化
光検出器の開発が最重要課題
Æ MCP + Ga・As光電面が望ましい。
multi-ch、大面積のMCP
BURLEの製品をテスト中、（50mm×50mm）
HPKと MCPPMTの共同開発
BINP(Russia)製のMCPもテスト中。
2003.3.4

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