1SuperKEKB電子・陽電子衝突型加速器の第１期試験運転におけるビームバックグラウンド測定
奈良女子大学大学院 人間文化研究科
物理科学専攻 高エネルギー物理学研究室

横山紗依
2017/2/16 修士論文発表会

目次• Belle II実験
• バックグラウンド検出器– 研究の動機– 検出器の概要とデータ収集系– 宇宙線での動作確認• SuperKEKB加速器Phase-1におけるバックグラウンド測定– バックグラウンドの種類– 測定結果とシミュレーションとの比較• まとめ2

3

Belle II実験
Belle II実験
SuperKEKB加速器

Belle II測定器

Belle II実験
SuperKEKB加速器

4e-

8m
e+

衝突点

KEKBの40倍の衝突の頻度（ルミノシティ）

8me-

改良・新規開発→測定精度の向上

e+• B中間子対を大量に生成する加速器実験• 稀崩壊モードをより精密にBelle実験→Belle II実験へ

SuperKEKB加速器

5

SuperKEKB加速器• 電子7GeV・陽電子4GeVの非対称エネルギー衝突型加速器ee+• 目標ルミノシティ：
KEKB加速器の40倍– 設計値 8.0×1035cm-2s-1– ビームサイズの絞り込み 20倍– ビーム電流の増加
2倍

合わせて40倍• コミッショニングが開始– Phase1:2016年2月 - 6月
• ビーム衝突なし、Belle II測定器なし、加速器の調整– Phase2:2017年度後半• ビーム衝突あり、Belle IIロールイン（崩壊点検出器以外）
2018
2016
2017
– Phase3:2018年度後半• Physics run開始
Phase1
Phase2Phase3

6

バックグラウンド検出器
研究の動機
バックグラウンド検出器の概要
データ収集系
宇宙線での動作確認

7

研究の動機
• 軌道を逸れた粒子は、ビームパイプに衝突して電磁シャワーを作る

ビームバックグラウンド• ルミノシティの増加＝ビームバックグラウンドの増加– 粒子の検出効率の悪化、Belle IIが壊れることも– 原因を理解・抑制したい– バックグラウンドを測定する検出器が必要

8

研究の動機
• SuperKEKB加速器のコミッショニングが開始– Phase1:2016年2月 - 6月
• ビーム衝突なし、Belle IIなし、加速器の調整– Phase2:2017年度後半• ビーム衝突あり、Belle IIあり（VXD以外）– Phase3:2018年度後半• Physics run開始

2016

2017

Phase12018

Phase2Phase3• Phase-1でバックグラウンドを測定– Phase-2以降のシミュレーションを現実に近づける

9

シンチレータとMPPCを用いた
バックグラウンド検出器−−−

コンパクト、簡単に設置可能
速い応答
荷電粒子に対する感度が高い

4cm

厚み1cm

• 利点

プラスチックシンチ

10cm

3mm
波長変換ファイバ

MPPC• 電子リング(7GeV)と陽電子リング(4GeV)
それぞれの下流に1つづつ配置(Multi-Pixel Photon Counter)
浜松ホトニクス社製S12572-050C

FWD

BWD

55cm

55cm

e-e+
衝突点

10

データ収集系
EASIROC

スケーラ

ディスクリ

−

CONTEC
CNT24-2(USB)GY• 計数率
計数率[Hz]••MPPC64chを制御可能
MPPCへの電圧供給とアンプとして使用

15分

スコープ
− PicoScope 6402C

• 波形
0.1m秒

11

宇宙線で動作確認
シンチ＋PMT

バックグラウンド検出器• 三段同時に信号が通過＝宇宙線イベント• 荷電粒子一個の貫通＝272±6mV

エントリー数

シンチ＋PMT

272mV

波高(ADC値)12SuperKEKB加速器Phase-1
におけるバックグラウンド測定
ビームバックグラウンドの種類
測定結果とシミュレーションとの比較

13

ビームバックグラウンドの種類① タウシェック散乱② ビームと残留ガスとの散乱③ 入射直後のビームロス– 原因：同一バンチ内の衝突– 特徴：計数率∝(ビーム電流)2/ビームサイズ– 測定方法：ビーム電流値、ビームサイズを変えて計数率変化を見る
e-(またはe+）
バンチ

ビーム：バンチの列

バンチ：e-のあつまりバンチ内でe-同士が衝突

ビームバックグラウンドの種類① タウシェック散乱② ビームと残留ガスとの散乱③ 入射直後のビームロス– 原因：パイプ内の残留ガスとの衝突– 特徴：計数率∝ビーム電流×残留ガスの圧力– 測定方法：意図的に真空度を悪くして計数率変化を見る

クーロン散乱

制動放射

14

15

ビームバックグラウンドの種類① タウシェック散乱② ビームと残留ガスとの散乱③ 入射直後のビームロス– 原因：入射直後のバンチからこぼれる粒子– 特徴：計数率増加が入射のタイミングに同期– 測定方法：バンチ入射直後の検出器の出力波形をサンプリング
入射軌道

磁石
メインリング磁石

磁石

①タウシェック測定における計数率の時間変化

16• タウシェック散乱：計数率∝(ビーム電流)2/ビームサイズ−測定方法：電流値、ビームサイズを変えて計数率変化を見る[μm][kHz,A,nPa]
2.090
計数率
80
1.5
ビームサイズ
70
1.060
ビーム電流
50

ガス圧力0.50••40102030ビーム電流を大きくすると計数率が増加
ビームサイズを絞ると計数率が増加

4030
時間[分]

①タウシェック測定における計数率の時間変化• タウシェック散乱：計数率∝(ビーム電流)2/ビームサイズ−測定方法：電流値、ビームサイズを変えて計数率変化を見る[μm][kHz,A,nPa]
2.090
計数率
80
1.5I=160mA
I=320mA 70
1.060
ビーム電流
500.50••40102030ビーム電流を大きくすると計数率が増加
ビームサイズを絞ると計数率が増加

4030
時間[分]

17

①タウシェック測定における計数率の時間変化

18• タウシェック散乱：計数率∝(ビーム電流)2/ビームサイズ−測定方法：電流値、ビームサイズを変えて計数率変化を見る[μm][kHz,A,nPa]2.0
σy=80μm
90
計数率
80
1.5
ビームサイズ
70
1.060
65μm

55μm

0.50••

50
40

102030ビーム電流を大きくすると計数率が増加
ビームサイズを絞ると計数率が増加

4030
時間[分]

タウシェック散乱と他のバックグラウンドの分離計数率

計数率= C1 + C2/ビームサイズ

データ点

C10•

1/ビームサイズ

ビーム電流が一定の時、タウシェック散乱由来のバックグラウンドは1/ビームサイズに比例するというモデルで考える

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タウシェック散乱と他のバックグラウンドの分離計数率

計数率= C1 + C2/ビームサイズ

データ点

タウシェックC1

タウシェック以外のビームバックグラウンド

0∝１/ビームサイズ
ビームサイズによらない→Phase-1ではビームガス→Phase1ではビームガス

1/ビームサイズ

1/ビームサイズ=0⇔ ビームサイズ=∞•

ビーム電流が一定の時、タウシェック散乱由来のバックグラウンドは1/ビームサイズに比例するというモデルで考える•

このモデルが正しければタウシェック散乱と他のバックグラウンドは上図のように分離して議論できる

20

タウシェック測定（e+、FWD）

BWD

FWD 21
衝突点−−

陽電子ビームのみ蓄積し、計数率を測定
ビーム電流値、鉛直方向のビームサイズを変化させた

実験結果

••

1/ビームサイズに比例する計数率の増加がみられた
e-e+の2つ×FWDBWDの2つ＝4パターン測定

シミュレーション結果e+タウシェック測定（e+、FWD）

BWD

FWD 22e+

衝突点−−

陽電子ビームのみ蓄積し、計数率を測定
ビーム電流値、鉛直方向のビームサイズを変化させた

実験結果

シミュレーション結果

タウシェック散乱

ビームガス散乱••1/ビームサイズに比例する計数率の増加がみられた
e-e+の2つ×FWDBWDの2つ＝4パターン測定

σy=50μm、I=900mA

測定値

シミュレーション

タウシェック散乱

6.0kHz6.8kHzビームガス散乱5.1kHz3.9kHzBWD

測定値/シミュレーション

FWD 23e-

FWD e+BWD eBWD e+

1
00.1
0200

400

600

800

1000

電流値[mA]

測定値/シミュレーション

FWD e-

シミュ少10

ビームガス散乱シミュ多測定値/シミュレーション

タウシェック散乱e+

衝突点

FWD e-

10FWD e+

BWD eBWD e+

1020000.1

400600電流値[mA]• 差異を生む要因– タウシェック散乱：ビームサイズ測定値– ビームガス散乱：残留ガス圧力測定値、残留ガスの種類– その他• 設置位置• 検出器の応答 など・・・• 5倍以内で理解できている。シミュレーション改良中

800

1000

②ビームガス測定における計数率の時間変化• ビームと残留ガスとの散乱:
計数率∝ビーム電流×残留ガスの圧力– 測定方法：意図的に真空度を悪くして計数率変化を見る[kHz,A,μm][×10-3Pa]
4.01.6
計数率
3.5
1.4
3.0
1.2
2.5
1.0
圧力
ビーム電流
2.00.81.50.60.4
ビームサイズ 1.0
0.50.20005
11172329
時間[分]• ガスの圧力の増減に計数率が応答24ビームガス測定(e+、FWD)−−

陽電子ビームのみ蓄積し、検出器で計数率を測定
右図の☆を付けた箇所の真空度を一時的に数千倍悪くした

実験結果•Super
KEKB

シミュレーション結果

実験結果
••

D02

計数率の増加が真空が悪化した場所に強く依存シミュレーション結果• より細かい区間でのガス圧力を用いたシミュレーションのやり直しが必要

25

ビームガス測定(e-、FWD)−−

電子ビームのみ蓄積し、検出器で計数率を測定
右図の☆を付けた箇所の真空度を一時的に数千倍悪くした
D09

実験結果

•D3
SuperKEKB

D06

シミュレーション結果

実験結果
••

D12

真空を悪くした場所と、計数率と残留ガスの圧力との関係に依存性がない

シミュレーション結果•

真空を悪化させた場所が衝突点から近いほうが計数率が高くなる

26

27

③入射直後のビームロス– 入射直後のバンチからこぼれる粒子– バンチ入射直後の検出器の出力波形をサンプリング
スコープ
生信号

しきい値

信号の数610μsec幅binの中でしきい値を超えた信号の数をカウント、50波形分の平均をとる

420.5msec
0• 時間構造が見える

.1.3

バンチ入射

.5.7.91.1

時間[msec]− リアルタイム(2秒間隔で更新)でモニタできる− Phase2以降の運転でこのバックグラウンドをVETOする仕組みに生かす28③入射直後のビームロス– 入射直後のバンチからこぼれる粒子– バンチ入射直後の検出器の出力波形をサンプリング
スコープ
生信号

しきい値

信号の数
610μsec幅binの中でしきい値を超えた信号の数をカウント、50波形分の平均をとる

200μsecまでのピーク=ビームに直交する振動500μsecごとのピーク=ビーム進行方向の振動

420.5msec
0• 時間構造が見える

.1.3

バンチ入射

.5.7.91.1

時間[msec]− リアルタイム(2秒間隔で更新)でモニタできる− Phase2以降の運転でこのバックグラウンドをVETOする仕組みに生かすまとめ
1. シンチレータとMPPCを用いた検出器でSuperKEKBのバックグラウンドを初めて観測
2. タウシェック散乱、ビームガス散乱、入射直後のビームロスを測定

3. この検出器がバックグラウンドの系統的理解やオンラインモニターに有効であることを確認– Phase-2以降でも使用される予定

29

30

31

32

ベータトロン振動• 進行方向に直交する向きの振動• ベータトロン振動の周期とビームの周回周期が整数倍になると振幅が拡大してしまう– 45.59
半整数は打ち消しあう→ok10[μsΤ一周]

0.09[1Τ一周]= 111μs

33

シンクロトロン振動• 進行方向の振動

10[μsΤ一周]
0.0198[1Τ一周]

V(t)

加速t
減速

= 505μsOscillations in the ring
• Betatron oscillation (fast)– Frequency• LER: hor. 44.59 (per turn) / vert. 44.63 (per turn)• HER: hor. 45.57 (per turn) / vert. 43.61(per turn)• Synchrotron oscillation (slow)– Frequency• LER: 0.0198 (per turn) (Vc=7.6MV) -> 1 period: 50.5turns• HER: 0.0246 (per turn) (Vc=12MV) -> 1 period: 40.7
turns

34

y:鉛直

ビームサイズのかえ方

35

z:ビーム軸• 普段は極力y軸を絞りたい– 今回はタウシェック測定のためにy軸を太らせた

x:水平• 電子ビーム– 軌道を二極磁石(ZVQD3E_1 HER)で縦に曲げて元に戻すときのばらつきで太らせる• 陽電子ビーム– 軌道を変えずに4極スキューマグネット(QKSD5TLP1)を調整

理想的にはxやyを絞る時は互いに依存性ないほうが良い→フリンジ効果(磁石の出入り口は磁場がきれいじゃない)の補正のため36

シミュレーション方法• Phase-1のジオメトリを実装
1. リング上の各点で散乱を起こす

2.

2. 散乱粒子がロスするまで何周もtracking
3. 検出器付近でロスしたものだけ選択4. GEANT4でシャワー生成、検出器の応答を記録

1.

4.

3.

37

Phase2/Phase3

Radiative Bhabha
TouschekCoulombIP0

ビームパイプ１2

3[m]• z方向*10• φ方向*4φ• 検出器の位置情報からバックグラウンド源を決定し、加速器の運転にフィードバックz

EASIROCの回路の概念図

38

39

生信号

500nsec

Ver. 2017.1.31(15th campaign) Phase3 BG loss distribution
Loss wattage= loss rate
* energy of loss particle

Color
definitionchanged!
Touschek_LER
downstreamloss

LER (4GeV e+)HER (7GeV e-)

Lumi-dependent BG

BBBrem: 1.08 W (0.06 W in |z|<65cm)
BHWide: 0.11 W (0.04 W), 2photon: 0.14 W(0.11W)

Touschek

0.27 W (0.42GHz)

0.04 W (0.03GHz)

Coulomb

0.06 W (0. 10Hz)

0.00 W (0.002GHz)

Collimators are
optimized for thelatest optics

Ver. 2016.10.1141(14th campaign) Phase3 BG loss distribution
Loss wattage= loss rate
* energy of loss particle

LER(e+)

HER(e-)LER (4GeV e+)HER (7GeV e-)Rad. Bhabha (BHWide)

0.06 W (eff. 0.09GHz)

0.05 W (eff. 0.05GHz)

Rad. Bhabha (BBBrem)

0.67 W (eff. 1.0GHz)

0.56 W (eff. 0.50GHz)

Touschek

0.07 W (0.12GHz)

0.32 W (0.29GHz)

Coulomb

0.24 W (0. 37Hz)

0.00 W (0.001GHz)

Why Touschek andCoulomb increased?
 Collimatorwidths are not
optimized yet for
new SADBG rate（Phase.3）42

injection BG• KEKBでは3msのVETO(10Hz入射)• SuperKEKBは25or50Hzで入射したい

43

BWD

測定値/シミュレーション

FWD 44e-FWD e+
BWD eBWD e+

100.10200

400600800

電流値[mA]• 差異を生む要因1000測定値/シミュレーション

FWD e-

測定値が多い

10

ビームガス散乱シミュが多い測定値/シミュレーション

タウシェック散乱e+

衝突点

FWD e-

10FWD e+

BWD eBWD e+

1020000.1

400

800

1000

電流値[mA]

ビームサイズ大きい→青と緑助けれる– タウシェック散乱：ビームサイズ測定値– ビームガス散乱：残留ガス圧力測定値、残留ガスの種類
– その他

×2 から
• 設置位置• 検出器の応答 など・・・

600

×1/2 くらいの不定性• 5倍以内で理解できている。シミュレーション改良中
FWDとBWDの比をとってキャンセルできる？

Z=7でやってる→実際はCOだけじゃなくH0もいるはず（Z=5くらい）→青助けれる

MPPCMPPC

453mm(Multi-Pixel Photon Counter)
浜松ホトニクス社製S12572-050C• シリコン光検出器• ガイガーモードで動作するアバランシェ・フォトダイオード• 常温・低電圧(70V)・増幅率~105・時間分解能~ps・磁場に強い