測定器入門およびBelle II測定器～動作原理、検出器のレイアウトなど～
田中秀治 (KEK)1

Belle II 実験の主題：B中間子• 質量~5.28GeV•

B(u)クオークとdクオークで構成される
反dクオークとbクオークの場合、反B中間子
dの代わりにsで構成するものをBs中間子と呼ぶ• 寿命~1.6ps

2

Bファクトリー実験の目的

1. B中間子におけるCP対称性の破れの観測
2. CP対称性を作る小林・益川機構の検証
3. 標準理論を超える物理現象の探索

CDF

Belle

3

3

B factory (KEKB)実験の始まり
CPの破れ測定のアイデアは1981年に三田氏らが提言• Generatelots of B mesons (B-factory)
非対称エネルギービーム衝突、– PID、KLMの設置案はすでにポンチ絵で表現できてるHigh luminosity e+e- collider with center-of-mass energy

E*  m 4 S   10.579GeV
e+ e-    4S   4S   BB
• Measure TCP in BgJ/yKS decay~1.2nb~100%– B mesons are almost at rest in c.m.s.
– Asymmetric energy e+e- collider! (P. Oddone/F. Takasaki 1987)4

B factory 実験での加速器
LER：ビームエネルギーを上げると,• Touschek （ビーム）寿命が伸びる. ∝ E3
• intra-beam scattering によるエミッタンス
増大が緩和される.
HER：ビームエネルギーを下げると,• エミッタンスが下がる. ∝ E2
• 放射光パワーが下がる.
発熱による機器への影響が減る

HER

SuperKEKB

LER

加速器・検出器にとって難易度大

5

KEKB

parameters

SuperKEKB

LER

HER

LER

HER

3.5

8

4

7.007

units

Beam energy

Eb

Half crossing angle

φ

11

41.5

# of Bunches

N

1584

2500

Horizontal emittance

εx

18

24

3.2

5.3

nm

Emittance ratio

κ

0.88

0.66

0.27

0.24

%

Beta functions at IP

βx*/βy*Beam currents

Ib

1.64

1.19

3.6

2.6

beam-beam param.

ξy

0.129

0.090

0.08860.081

Bunch Length

sz

6.0

6.0

6.0

5.0

mm

Horizontal Beam Size

sx *

150

150

10

11

um

Vertical Beam Size

sy*

0.94

0.048

0.062

um

LuminosityL

2.1 x 1034

1200/5.9

現在目標数値の再評価を行っている

GeV
mrad

3.2/0.27 2.5/0.30

8 x 1035

約3ns
間隔で
公差

mm

２０倍

A

2倍

cm-2s-1

1秒間に800個B中間子生成6

ナノビーム設計による検出器への影響
Large Piwinski angle

既存のトンネルでビームを通すためにBelleを回転（曳家）e- (7 GeV)

e+ (4 GeV)
Y(4S)

B
Y(4S)

dz~cbgtB~200mm (Belle)~130mm (Belle II)
B
SuperKEKB bg=0.28 : e-(7GeV), e+ (4GeV)
KEKB
bg=0.42: e-(8GeV), e+ (3.5GeV)SuperKEKBナノビーム設計を成立させるためブーストファクターが約2/3に7

B中間子を捕えるには？
寿命~1.6ps
ビームパイプ内ですぐに崩壊

8

粒子の検出粒子の種類によって測定器との反応が異なる• How to measure the Pt for each track of charged particles• Magnets• Trackers

荷電粒子は磁場で曲げた飛跡を測定• How to optimize the parameters of sub-detectors– Hit rate：動作頻度– Efficiency：検出効率– Position (energy) resolution：位置（エネルギー）分解能– Radiation hardness ：放射線耐性– Long term stability：長期安定性– Costs： 価格9解析例（B0gJ/yKS）

7 GeV

4 GeV

B中間子は寿命が短いのでビームパイプ内で崩壊して2次粒子検出器で測定される。

130∆z = cβγ∆t10実際の粒子に特徴づけるもの
•
•
•
•
•

質量：エネルギーと運動量から測定
スピン：生成された粒子の角度分布の歪みなど
電荷：磁場中での曲がりの向き
寿命：崩壊点の飛跡より測定
他にもさまざまな量子数– 荷電対称性– レプトン数– バリオン数– フレーバー– カラー– .....

Ks-> ππ

11

ハドロン

レプトン

BelleIIで実際に観測しているもの
Particle

MassLife Time(ns)

検出法

Electron

0.51 MeV>4.6×1026year

飛跡、エネルギー

Muon

105 MeV

2.19 us

飛跡

Tau

1777MeV0.29ps

間接観測

Neutrino< 2eVstable

非検出（Missing E)p±中間子

139.5MeV

26 ns

飛跡、PID

p0中間子

134.9 MeV

8.5×10-17 s

間接観測 （2γ）

K±中間子

493.7 MeV

12.3ns

飛跡、PID

Ks中間子

497.6 MeV

89.5ps

間接観測 (ppKL中間子

497.6 MeV

52 ns

間接観測 (ppp

D±中間子

1869.6MeV

1.0ps

間接観測, 崩壊点

B±中間子

5279MeV

1.6 ps

間接観測, 崩壊点

Photons<1×10-18eVstableエネルギー,飛跡なし

ビームパイプ半径 10mm
ピクセルセンサーの位置：半径14mm
光が1m進むのにかかる時間：約3.3ns

12

BelleII 検出器の特徴
IP Beam pipe radius:
Venus: 48mm
Belle（非対称IP z位置）
(SVD1): 20mm
(SVD2): 15 mm
BelleII: 10mm

検出器の中に最終フォーカス
磁石がある。 スペース問題

Belleでのイベント例
Ecms~Υ(4s)観測されるすべての2次粒子を同定（PID)

LEPにおけるOPAL検出器の例
e+e-→Z0→ｑｑｇ (Ecms90 GeV)
：クオークジェット生成により一つ一つの粒子同定が安易でない。
13

BelleIIのセンサー配置概要
PID ソレノイド磁石(1.5T)•••

KLM(KL ＆μ）~1m
ソレノイド磁場により荷電粒子の飛跡は曲げられる（Pt測定）
K±とπ±は弁別するための専用デバイスを設置（TOP, ARICH)
KLはKLMでまたKs→ππは飛跡検出器により再構成して同定する~4m
14

Event Display 例：B0J/yKS
荷電π粒子を再構成してKsの崩壊点を同定（Ksは電荷をもたないので崩壊点までは飛跡がない）

μ粒子は荷電をもつので飛跡を残しながらKLMに到達する

B中間子はビームパイプの内部で崩壊している
衝突点周辺の飛跡測定精度が肝となる (PXD, SVD検出器）

15

物質と放射線の反応16放射線と物質の反応 ・物質(Z/A)に依存する・粒子の速度βγに依存する・粒子の質量に依らない
Bethe-Bloch formula (ionizing particle):dE
1 2me c 2 b 2g 2Tmax

2 z 1
2
 - KZ[lnb]dx
A b2 2
I2
2

K  4pN Are2 me c 2  0.3[MeV  g -1cm2 ]Tmax  2mc2 b 2g 2dE
 ln b 2g 2dx

(Max kinetic energy, which cantransferred to electron)
A: mass number [g/mol] of the material
z: Charge of incident particle
1
Z: Atomic number of material dE

dx



b2

: Density correction
I : Mean excitation energy of material
I=I0Z
bg  3 - 417放射線と物質の反応
Energy loss of charged particle
Bethe-Bloch formula (ionizing particle):dE
1 2me c 2 b 2g 2Tmax

2 z 1
2
 - KZ[lnb]dx
A b2 2
I2
2

K  4pN Are2 me c 2  0.3[MeV  g -1cm2 ]Tmax  2mc2 b 2g 2dE
 ln b 2g 2dx

(Max kinetic energy, which cantransferred to electron)
A: mass number [g/mol] of the material
z: Charge of incident particle
Z: Atomic number of material
: Density correction
I : Mean excitation energy of material
I=I0Z
運動量とdE/dxが測定できれば粒子を弁別できる領域がある

mμ = ~105MeV, mπ = ~139MeV, mp = ~938MeV
放射線の検出はEnergy loss に起因する電子、イオンの電荷情報や発光現象を利用する。
18

Interaction of charged particle••

Multiple scattering (Moliere formula)– Approximates the projected
scattering angle of multiple
scattering by a Gaussian, with a
width
2


0
.
015
x2L
2

  
[1 + 0.12 log10 ( x / X 0 )]2
 bP  X 0
Approximation



1
p

L
X0

L

planeRplaneX: charge

高い運動量では散乱の影響が小さくなる

X0 : Radiation length X0=荷電粒子のエネルギーが1/eになる平均厚み(Mean distance over which a high energy
electron loses all but 1/e of its energy bybremsstrahlung, and 7/9 of the mean
free path for pair production by a highenergy photon.)

4N A Z ( Z + 1)re2 log(183Z -1/ 3 )
1

X0
A

19

物質ごとの反応のしやすさ
X0=荷電粒子のエネルギーが1/eになる平均厚み

物質量 高（物理領域外）物質量 低（物理領域内）Z X0[g/cm2]

Density(g/cm3)

4N A Z ( Z + 1)re2 log(183Z -1/ 3 )
1

X0
A

X0{mm}

He
Be

2
4

94.32
65.19

0.125
1.848

7545.60
352.76

C

6

42.7

3.52

121.31

Si
Fe
Cu
W

14
26
29
74

21.82
13.84
12.86
6.76

2.329
7.874
8.96
19.3

93.69
17.58
14.35
3.50

Au

79

6.46

19.32

3.34

他にはAL, SUSも構造体に使用。

用途
CDCガス
IPパイプ
CDC、VXD（CFRP構造体)
PXD/SVDセンサー
Belle構造体
冷却パイプ
シールド
IPパイプ衝突部内部（放射光x線吸収）20飛跡測定
運動量を見積もる
磁場で曲げられる大きさを測定

21

Ptの測定（サジッタによる計測例）
L
B

Measure the transverse component to B fieldR

Pt  qBR  Pt[GeV ]  0.3BR[Tm]
L
 
0.3LB
 sin( )    
2R
2
2
Pt

 2 L2 Bs  R (1 - cos( )  R
2
8 Pt Pt=4.5 GeVの粒Sx

L ayer1

L ayer2

L ayer3

曲率半径Position resolution (x) for eachs  x2 - ( Pt )Pt

x1 + x3
2

 (s)
s



3
 ( x)
2s

子が1.5T の磁場を通ると曲率半径10mで曲がる3 ( x)  8Pt
 ( x)  Pt2

0.3  BL2
BL2

Pt resolution depends on B, L and (x)Belleではソレノイド磁場がかかっているため Pt (ビーム軸に対して横方向の運動量）を測定することができる。 CDCでは粒子飛跡を関数にフィットして測定
22

エネルギーの測定
物質と反応して検出器で測定される信号の大きさ
Electro-magnetic shower23光と物質の反応
光子が電子軌道上の電子に吸収され、励起された電子が光電子として飛び出す過程

光子が電子軌道上の電子と散乱を起こ
し、反跳電子と反跳光子が飛び出す過程

鉛

光子が原子核と反応し電子・陽電子を対生成する過程
24物質内での相互作用

25Belle II 検出器
Beam Pipe and Vertex Detector extraction: on Nov. 10, 2010
Belle Detector Roll-out: Dec. 9, 2010
End-caps, CDC, B-ACC, TOF extraction: in Jan. 201126

Belle II で何が変わる？
0, KEKBに対し40倍のLuminosity
1. バックグラウンド-10〜20 times higher than that of Belle→ fake hits, pile up, radiation damage
2. データ取得頻度-Typical Level1 trigger rate: 20kHz-Data size also increase→ require high performance DAQ

3. 物理の感度-good hermeticity for events having n s-good background rejection for
ultra rare B and t decaysII27

センサーレイアウト比較(Belle -> Belle II)
KLM
RPC->Scintillator

ソレノイド磁石
電磁カロリメータ(ECL)

BelleII VXD
R=14-140mm
Belle
R=20-88mm

Belle(EndcapとBarrelの最内2層)

Belleのサイズ8mx8mx8m

28

Belle II 上から見た図•

現場ではどこにケーブル、冷却配管通すかという議論やどうやって組み上げるか？
といったことが今でもメインテーマ。
29

New detectors at BelleII

Trigger rate は最大30kHz

30崩壊点測定シリコン検出器
崩壊点測定(DEPFETセンサー:PXD,
DSSDセンサー:SVD)（ALICE） 最先端の世界センサーも読み出しFEもとことん薄く
して曲げちゃう。
開発→量産→運用（どうしてもライムラグ）
31半導体検出器• p型とn型半導体を接合したものをダイオードという(ご存知）• 接合すると半導体に含まれる伝導電子、正孔が拡散し、接合部付近で互いに結びつく（拡散電流が生成）。
– 結果、p型半導体中のアクセプターは負に帯電しn型半導体では正に帯電する。
– ドナーやアクセプターは結晶格子に固定されているため、それぞれの半導体内で電荷の偏りが生じ、pn接合を横切る電場が形成される。
– 接合部付近では自由な電子が存在せず、空乏層領域(deplated region)という（接合だけだと数μｍ）– 空乏層領域に放射線を当てて、電離(シリコンの場合：3.6eV/pair)させると電子、正孔はそれぞれ電場によってn型、p型半導体にそれぞれひきよ
せられ電気信号（パルス）として検出できる。
• 実際には空乏層(有感領域）をひろげるためにn側の電位を高く（逆バイアス）なるように電圧を印加して使用する。
32

シリコンストリップ検出器

空乏層とストリップ間にSiO2層（絶縁）があるのでACカップルでストリップ読み出し
FEアンプで読みだした電荷信号を増幅して読みだす
構造がシンプルなため動作信頼性大、製造安定性大（大面積化には結構大事な部分です）
33

SVD1->SVD2
23 º <  < 139 º

初代のIPパイプはアルミ（SVDはすぐに放射光でお亡くなりになったと聞いた）
17 º <  < 150 º

シールド（ハッチ部分）もついて測定範囲も広くなっている（半径方向も）。

34

Inner Tracker Upgrade
SVD1->SVD2 (Belle 実験）
Beam pipe : Rin = 2.0 cm
SVD1 : R = 3.0, 4.5, 6.0 cm
CDC : 3 layers of Cathode part

Beam pipe : Rin = 1.5 cm
SVD2 : R = 2.0, 4.35, 7.0, 8.8 cm
CDC : 2 layers of small cell chamber

CDC：ガス検出器は高頻度動作の場合、残留イオンによる実効電場減少により動作性能が劣化（信号が小さくなる）
衝突点に近いほど通過粒子の密度が高い
一方、シリコン検出器(SVD）は高頻度動作の影響うけにくい

35

Belle II VXD design(top view)

SuperKEKB: Nano-beam scheme →大公差角度（22->73mrad)->ビームパイプとシールドのスペースが大きくなる->センサー設置場所、ケーブルを通すスペースが狭くなる。
SVDは収まり切れないので一部スラント（折り曲げる）形状にせざる得ないことに・・・・・

36

IP beam pipe
(このパイプだけは実験グループ担当）
ベリリウム

IP partX0{mm}Be 352.76
W
3.50
Ta
4.09
Au
3.34

Crotch part
タンタル

φ20mm

Φ10mm(放射光や軌道がずれたビームPXDに当たらないようにするため入口を狭くしている）
37

ビームパイプ形状の理想はこの直線部をもたずに単純に交差したもの

IP pipeの外径12mm
PXDの内径14mm

Vertex Detector (Phase 3)
IP Beam pipe

Phase 3 PXD
1st layer at phase 3 start

SVD
Simulation

VXD can provide factor 2 or more better impact
parameter resolution in spite of lowered Lorenz boost.
38

PXD
15mm

Depleted p-channel FET
ピクセル検出器
外部ゲート
ソース(p+)

50µm

クリアーゲート

クリアー(n+)ドレイン(p+)~75µm

clear[n+1]gate[n+1]

E (電場）
eh eh eh eh

98 mm

132 mmclear[n]gate[n]drain lines

n型内部ゲート（埋め込み層）

空乏層
n型シリコンバルク

Switcher chips (line driver)

バックコンタクト(p+)
ソースcross section(height not to scale)thinned active pixel area

外部ゲート

内部ゲート

クリアーゲートクリアー

DCD chips (analog)

内部ゲートに電離電子がDHP chips (digital)
集められて外部ゲートを
flex cable
ONにすると収集された電子数に比例した電流を読
み出せる。

ドレイン

模式回路図

電界効果型トランジスタ＋空乏層
39

DEPFET for Belle II (PXD)
Layer 1
Layer 2

radiusr = 14mm
r = 22mm

pixel
50x50mm2
50x75mm2

thickness
75mm(0.21%X0)
75mm
total of 8 Mpx

ILC用に開発を始めた。
シーメンスの工場の一角を借りて自分たちで生産

ATLASのピクセルだとMaterial budget ~2.7 %X0
1Rolling shutter mode
(20us/frame：8Mピクセルのカメラを1秒 p
間に5千万回連続でシャッタを切る感じ)

L
X0

40

SVD2-> BelleII SVD

1,Slant structure
2,Hgh speed readout (800ns->20ns: APV25)
3, Smaller capacitance on each signal line
by Origami method
41

SVD (Silicon Vertex Detector)

Material budget 0.7%X0 per layer

Front-end FE: APV25 -> FADC
読み出しFEのチップをとことん薄く削ってセンサー背面に設置

42

飛跡を観測する
Gas detector
ワイヤーチェンバーの応用範囲が減ってきてますが自分で作れることが魅力（ここはちょっと詳しく紹介。説明は磁場なしを前提）
Tracking(Pt), PID(using CDC, RPC on BelleII)

43

How to read the signal?
Incident charged
particle
EnergydepositCreate Cluster
Drift ElectronsGas
amplification
Reach toAnode

G.M
Streamer

Self quanch
44

Ionization(電離作用）np
Incident particle interact with gas molecule,then producing electron and ion pairs (nprim).

nT

MIPに対して
nprim has relationship with average Z of gas
moleculen prim  1.5Z

This primary electrons are energetic enough toionize other molecule (secondary : ns ~3)
電離作用には：
衝突電離
光電離
接触電離
熱電離などがある

Principles of operation of multiwire proportional and drift
chambers / F. Sauli
Geneva : European Organization for Nuclear Research,
45
1977. vi, 92

Property of noble and molecular gas

長さ当たりの初期電子・
イオン対生成頻度

イオン対解離
エネルギー
電離
エネルギー
第一
励起エネルギー

希ガスは多くの励起準位をもつので混合ガスにすることで励起希ガスが基底準位に遷移するときに出る光子によりイオン化を促進できる（ペニング効果：蛍光灯のAr+Hg）

46

Gas amplification
Townsend avalanche:dn   dxn

α: first townsend coefficientE/p > 10^4 V/cm /atm

 n( x)  n(0)ex
If we neglect the space-charge effect and photoelectriceffect by de-excitation of molecule, total charge (Q) = n0eM

電場で加速された電子が電離させる

M (gas amplification factor) is written as a function of a(a: radius ofE (r )
r wire)ln M    (r )dr    ( E )
a

E (a)

dr
dE
dE

V
 ( E ) dE
V


(
E

: cylindrical )ln(b / a) E ( a ) E E
r ln(b / a)E (r )

Induced signal is written as
47

20-30um程度のタングステンワイヤーに高電圧を印可すると円筒電場でガス増幅
領域をワイヤー周辺に制限できる（ガス増幅＋放電の阻止）

Operation modeM < 104 : Ionization mode(電離箱）(using DC mode for radiation monitor)
M > 104 : Proportional mode
(MWPC, DC)
M > 106 : Limited Proportional mode
M > 108 : G.M mode or Streamer
mode (survey meter)

初期電子イオン対数に比例した信号ガス増幅なしプラスイオンに比べて電子は2-3桁ぐらい
速度が速い

20-30um程度のタングステンワイヤーに高電圧を印可すると円筒電場でガス増幅
領域をワイヤー周辺に制限できる（放電の阻止）48

HV dependence of Output charge (ex.RPC)

Streamer or GM

なぜガスゲインがジャンプす
るのか？

Limited proportional
Proportional

49

Difference between G.M and Streamer
電子なだれの中間部では電場が打ち消され再結合が発生する。この時にphotonが発生し電離を起こす。G.Mとストリーマの違いはphotonのmean free path
(ガス圧力の違いでもG.Mとストリーマ間で相転移が起こる）

E

+
++
+ +

e- +
- A+ -> A* -> A +γ
- ---電子・イオン雲によって形成する電場
で打ち消され増幅が止まる
G.M mode
Large output signal
Long dead timeLong term stability
身近な例：蛍光灯は減圧したガス（Ar+Hg)中でAC100Vを印可することでフィラメントから出た熱電子により電離と再結合を繰り返している。再結合で生成した励起分子が基底状態に遷移するときに出る紫外線（この光はランダムの方向に出る：陰極線との違い）をガラス内部に塗った波長変換素材で可視光にしている。

-

E

-

+ A -> e + A+
++
g
+ +

- ---

Streamer mode
Large output signal
Short dead time
Large discharge sometime occur
Limited mean free path of photon
かみなりもストリーマ放電の一種
2次生成したphotonによる増幅が発展する場合としない場
合が混ざる。

50

ガス検出器：MWPC(Multi Wire Proportional Chamber)

G.Charpak(Nobel prize)

等電位線（線の密度が濃いと電場が高い
高電場はワイヤー周辺のみ）

スパークチェンバー
（昔の位置検出法）
電気力線（電子グランド表面からこの点線に沿ってワイヤー（赤点）へ移動）

基礎データとしては重要だが動作イメージは伝わりにくい：動画へ
構造設定• 赤い点が横から見たワイヤー（＋高電圧） F. Sauli
Principles of operation of multiwire• 上下の黒い線がグランド面
proportional and drift chambers• ワイヤー同士の中間では電場ゼロ
https://cds.cern.ch/record/117989?ln=ja
51

MWPCとDrift Chamber• MWPC– アノードワイヤーが等間隔に並ぶ– ワイヤーの中間点電場ゼロ– 製造が安易• DC– 各ワイヤーセル間にフィール
ドワイヤーがある。
10 mm– 製造が複雑
6~8 mm
CDC small cell
異なる電位のワイヤーを並べるので放電させないようにつくるのが大変

GEMの例

52

ステップ１
1.
2.
3.
4.
5.

入射位置、角度を乱数で決める
有感領域の長さを計算
通過長さから初期クラスターの平均を求める。
平均値を元に乱数で初期クラス
タ数決定
各初期クラスタ位置を決定

電場に対するドリフト速度

電場に対するdifusion（ガス分子によって散乱）53

ステップ２
各クラスタの位置での電場を求める。
電子のドリフト速度を求める（ドリフト速度の電場依存の基礎データ）
3. ドリフト速度x設定した時間ステップ（今回は0.1ns)分だけ電場方向に移動する。
4. （必要ならdiffusion効果はここで加算）
5. 1、2、3を各クラスタに対して計算
6. 移動先のクラスタ位置がワイヤー表面に達すれば三角波をオシロに描画する（信号が重なったらその分加算）。
最初に到達したクラスタの移動時間をドリフト時間としている。
1.
2.

54

オシロ波形について
デジタルオシロで見たMPWC生信号
がなぜ凸凹しているのか？

• dE/dx測定精度を良くするには––

通過距離（トラッキングフィット）、
信号のチャージ量（ADC)• をできるだけ精度よく測定する必要がある。

• 信号チャージを測定するためにFEアンプはチャージアンプを使用するのが普通– アンプの時定数により時間測定
泥土は少し落ちるが55

その他：検出器導入に必要な検証
•

•

Aging
– ガス増幅により電極に不純物が析出し実効電場が変化• Pulse response の Uniformityが崩れる• dE/dx測定に影響
Rate dependence– ワイヤ長さ当たりの 信号Rate に対する実効電場の減少• ガス増幅で生成した正イオンがカソードで吸収されるまで
電気力線に沿って滞留し実効電場を下げる。

車だと：ススが溜まると火花が出にくくなる

CDCの場合、rate dependenceには角度依存がある。
（IPから垂直方向がもっとも深刻）
56

Rate dependenceの影響の出やすいパターン• 電気力線と同じpathに荷電粒子が入射した場合• ワイヤー周辺でできたプラスイオ
ンがグランド電極で中性になるま
で電場を打ち消す効果を出す。
– ドリフト速度– ガス増幅率に影響する

57

飛跡検出で使う装置比較• CDC（ガスチェンバー）– プライマリー電子数：小– ガス増幅10＾5程度– チャンネル当たりの静電容量大（S/Nが下がる）– 通過長さ当たりのMultiple
scattering 小（低物質ガス）– 信号線間隔に限界（放電がある

Q dQ
V 
C S
d
d dQ
V
dt
dt S

1

p

• SVD(シリコンストリップ）– プライマリー電子数大– センサー内部増幅無し– チャンネル当たりの静電容量小• FEアンプの位置にもよる– Multiple scattering 大（シリコンなんで薄くする努力次第でもあるが）– 最近では薄型＋内部増幅のシリコンセンサー開発が主流

L
X0

Multiple scatteringは低い
運動量の粒子に影響する
一方LHC,ILCなどではシリコン優位
58

Central Drift Chamber ACC+TOF->TOPの変更によりレバーアームが伸びた
improve resolution of momentum and dE/dx(運動量、dE/dx)

Belle II

Belle

Belle II

inner most sensewire

r=88mmr=168mmouter most sensewire

r=863mm

r=1111.4mm

Number of layers

50

56

Total sense wires

8400

14336

Gas

He:C2H6

He:C2H6

sense wireW(Φ30μm)

W(Φ30μm)

field wireAl(Φ120μm)

Al(Φ120μm)

small cell
10 mmnormal cell
18 mm

6~8 mm10~20 mm59

Central Drift Chamber•

ワイヤー張り作業2016年10月
60

X-t relation (B=0T)

Residual distribution

Test Chambers
positionresolution
σ ~ 100μm[mm]distance from sense wire [mm]dE/dx resolution
12% with “9” layers
5% with 56 layers
90 60

30 [degree]

90 60

30 [degree]

incident angle

5 layer test chamber

Full-length (540x570x2200) test
chamber has also been made61

Position measurement with Drift chamber
Measure arrival time of electronsat sense wire relative to a time t0.

X-t relation (B=0T)

時間情報を距離に変換

distance from sense wire [mm]x   vD (t )dt
時間基準はBelle: TOF
Belle II: TOPなど光検出器
各ワイヤーでのドリフト時間を円の大きさで表示
円を繋ぐ曲線でフィット

62

ミューオン飛跡検出

63

KLM
（KL&Muon detector）
HFC-134aは電気陰性度の高いフッ素が含まれている。電子を吸着
してマイナスイオンとなり増幅を抑える

•
•
•
•

RPC(15層）と鉄のサンドウィッチ
ガス：Ar(30)+Butane(8)+HFC134a(62)10^12Ωcmの高抵抗電極
ガスギャップ2mm, E> 4kV/mm

64

KLM: KL&Muon detector (RPC gScintillator)
•

•
•

•

GENERAL LAYOUT
One layer: 75 strips (4cm width)/sector
5 segments
1 segment = 15strips
Two orthogonal layer =superlayer
F&B endcap KLM:
– Total area ~1400 m2– 16800 strips– the longest strip 2.8 m;
the shortest 0.6 m• WLS fiber in each strip• Hamamatsu MPPC at
one fiber end• mirrored far fiber end
2015 KLM

65

One strip

fiber: Kuraray Y11 MC

Scintillator bar: Vladimir (Russia)(used in T2K ND)

MPPC: Hamamatsu
1.3×1.3 mm 667 pixels(used in T2K ND)

part II

part I66

エネルギーを測る67シンチレータ
PureCsI

BSO

BGO

CsI(Tl)密度(g/cm3)
輻射長(cm)

4.53
1.86

6.80
1.15

7.13
1.12

4.53
1.86

モリエール半径(cm)

3.57

2.63

3.10

3.57

発光波長(nm)

300

480

480

560

光量(NaI(Tl)=100)

3.7

2~3

10

165

～10
若干有

100
無

300
無

1300
若干有

減衰時間(ns)
潮解性

CsIのPion interaction length（π粒子が非弾性散乱する平均距離）: 199 g cm-2->44.12 cm
電子や光子に比べてハドロンはそれだけ反応しにくい（大きなスペースが必要）68

PMT（光電子増倍管）の構造
電子の放出は、ある一定以上大きな振動数の光でなければ起こらず、それ以下の振動数の光をいくら当てても電子は飛び出してこない。
振動数の大きい光を当てると光電子の運動エネルギーは変わるが飛び出す電子の数に変化はない強い光を当てるとたくさんの電子が飛び出すが、電子1個あたりの運動エネルギーに変化はないなどの事実が実験により明らかにされた。

光電効果

入射光×光電面での収集効率×電子への変換効率×増幅率×e=信号の大きさ

69量子効率の波長依存
発光波長(nm)

PureCsI

BSO

BGO

CsI(Tl)

300

480

480

560

70

ECL (Electromagnetic Calorimeter)
PureCsI BSO BGO CsI(Tl)

PINフォトダイオードを用い、電磁シャワーを検出。密度(g/cm3)
4.53 6.80 7.13 4.53
エネルギー分解能は、~1.3%/√E。
輻射長(cm)1.86 1.15 1.12 1.86
位置分解能は~0.5 cm/√E。（E in GeV）
モリエール半
3.57 2.63 3.10 3.57
シンチレータとしてCsI(Taドープ)結晶を使用
径(cm)
発光波長
(nm)
光量
(NaI(Tl)=100)

300

480

480

560

3.7

2~3

10

165

減衰時間(ns) ～10

100

300

若干
有

無

無

1300
若干
有

潮解性

8736本のCsIを使用
電子が励起（電子が原子を離れること）され 自由電子と自由正孔が
71
71
出来ます。

粒子弁別
Belleでは測定されるハドロン粒子のエネルギーが低いためLHC
実験のようなハドロンカロリメータでは測定できない
π、K中間子を弁別する専用の検出器
TOP, ARICH

72

K/π 粒子識別
3種類の合わせ技•TOF： 飛行時間測定– 粒子速度= 飛行距離/TOF•飛跡検出器で落とすエネルギー– dE/dx (CDC)•チェレンコフ光測定


b

v 1

c n

物質中の光速 c/n よりも、粒子速度が速い時、角度cの方向に、衝撃波のように光が出る。
• チェレンコフ光閾値の利用 (Belleで利用)nを調整 π光らせる K光らせない 粒子識別• チェレンコフ角度θc測定 (Belle IIで利用)θc βを直接測定。 閾値型より性能が向上する。
73

TOF (Time-of-Flight Counter)
Belle検出器でのTOFカウンター（例）• r from beam axis = 120 cm• Length = 3-m long, Nscintillators = 128
 T = 100 psec
• K/p separation up to 1.2 GeV

飛行時間分解能

飛行距離、シンチレーションの早さ、
光量、PMT性能などが大切な要素。
74

Particle Identification Devices（pとＫ中間子を同定）

Endcap PID: Aerogel RICH (ARICH)
200mm

Barrel PID: Time of Propagation Counter (TOP)Aerogel radiator
Quartz radiator

Focusing mirror

n~1.05

Hamamatsu HAPD
+ new ASIC

Small expansion block
Hamamatsu MCP-PMT (measure t, x and y)

Aerogel radiator

Hamamatsu HAPD + readout

200

75

Time of Propagation Counter (TOP)Barrel PID: Time of Propagation Counter (TOP)

Quartz radiator• Quartz radiator– 2.6mL x 45cmW x 2cmT
– Excellent surface accuracy

Focusing mirror

Small expansion block
Hamamatsu MCP-PMT (measure t, x and y)• MCP-PMT– Hamamatsu 16ch MCP-PMT• Good TTS (<35ps) & enoughlifetime• Multialkali photo-cathode  SBA

π/Ｋ識別においてBelleではP<3GeV/cで3σの識別能力だったものをP < 4GeV/c 領域において4σのπ/K識別能力へ(θc:Cherenkov angle)

TOP識別能力 

β=v/cなので同じ運動量では質量の差の影響が測定で
きる

π/K

検出光子数
時間分解能
K/πのチェレンコフ光の時間差 100~200ps76
検出できる光子数 ～20個

Time of Propagation counter (TOP)

Hamamatsu MCP-PMT

Quartz Radiator

quartz

Beam
spot

nd

3rd 2
875mm 1st

915mm

TOP : 16本 (125x45x2cm)
2016年5月

Time resolution

beam data
1st

3rd

Simulations

1st

3rd

2nd

2nd

[1count/25ps][1count/25ps]

77

ARICH(End-cap Particle ID)• Ring imaging Cherenkov counter based on silica aerogel
radiator– Space limited -> proximity focusing with expansion distanceof 20 cm
– Requirements• Transparent silica aerogel• Photo-detector– Single-photon sensitivity– Pixel 5x5mm2– Operational in 1.5T
– Compact• Readout electronics– ~70K channels
n=1.05 aerogel|c(p)-c(K)| = 23 mrad at P=4GeV/c

Target: More than 4  p/K separation at 4 GeV/c78

Novel “focusing” radiator
Simple accumulation of radiator layer gives more photons, but degrades PID
performance Multiple aerogel layers with different indices4cm-thick single index aerogel(1p.e.) = 22 mrad
Npe ~ 10.6
(track) = 6.9 mrad
Focusing by 2cm+2cm aerogel (n1:1.047, n2:1.057)
n1 n2

(1p.e.) = 14.4 mrad
Npe ~ 9.6
(track) = 4.8 mrad
NIM A548(2005)383

79

ARICH
Test Beam setup
AerogelHamamatsu HAPD
Q.E. ~33%

2017.880

DAQ30kHzのトリガーrateに対応（ATLASでは100Hz程度）

81

BelleIIで扱うデータ量•

LHCに負けない量(勝ち負けではないが）

82

さいごに
•
•

BelleII 検出器の運転は続いてますがさまざまな課題・問題が今後も起こると思います。
検出器の高度化に対応するには何を考えるべきかヒントになればと思います。

83バックアップ84衝突点付近（KEKB→SuperKEKB)• 独立の電磁石• 大交差角のために組み立ての手間が大きい• 放射光の影響が相対的に少ない– Bend近くにがないため85

2020 BPAC

86[mm]

Less Coulomb
scatterings

[mm]IP位置分解能Belle

Pixel detector close
to the beam pipe

Belle II’

Belle II
20mm
10mm
0

1.0

2.0
pbsin()3/2 [GeV/c]

0

1.0

2.0
pbsin()5/2 [GeV/c]b a+p b sinn 87

PID：区別したいのは88

B 中間子 実験を狙った加速器•– CESR(CLEO) and DORISII (ARGUS) up to
L ≈ 1032cm-2/s
Symmetric E beam collision (almost stationary B)
Discovery of B0-B0 bar oscillations and b→u+W decays (1987) (ARGUS)• – KEK-B (KEK) and PEP-II (SLAC) with L > 1034cm-2/s
Asymmetric E beam collision (boosted B)
Discovery of CP violation in B decays (2001)• – SuperKEK-B– L > 1035cm-2/s• LHCB89

1998年～2010年： Belle実験
2018年～：BelleII実験

90

チェレンコフ光

荷電子が物質中を”その物質の光速を超える速度”で通過するとき放出する微弱な光

物質中での
分極の様子

Aerogel counter(ACC) ではπのみ光るように屈折率を設定
91

DEPFET

Fully depleted sensitive volume, chargecollection by drift.
Internal amplification ->q-I conversion:
0.5 nA/e, scales with gate length and bias
current( S/N will be ~100).
Charge collection in “off” state, read out on
demand -> Rolling shutter mode

(20us/frame：8Mピクセルのカメラを1秒間に5千万回連続でシャッタを切る感じ)
92
92

Readout Scheme : DAC subtraction
Q=CV
dQ/dt = C dV/dt(信号ラインのCが大きくなると信号電圧は小さくなる。ピクセル
位置でCが異なるのでDACで下駄をはかせている）

DAC+ Slow shaping, no signal subtraction → low noise
ADC - Need DAC Data (here: 2 bits, from DHP → extra pins)

Peter Fischer - 93
93
Belle-II PXD: Readout Electronics

PXD on board Electronics(schematic view of front-end)
1024 r/o lines from DEPFET matrix
256 inputs per DCD

ADC

to Switcher
timing12.5 MHz row frequency(80 ns ADC conversion time)

8 bit ADC per input

DCD
DCD
4:1 output mux DCD
DCD
64 outputs per DCD

102.4 Gbps
400 Mbps output data x 256 lines

receiverPLL

de-serializer
common mode & pedestal
correction

DAC
ADC

raw data
memorypedestalmemoryzero suppression
de-randomizing buffer

JTAG

data link

core

DHP
DHP
DHP
DHP
5 Gbps (1.25 Gbps link per DHP)

JTAG clock, sync

one data out per DHP trigger

94 94

粒子弁別は何でやる？
• わかりやすいのは質量を測ること

m

p

gb

• つまり運動量と速度を測る– 運動量は Pt  qBR  Pt[GeV ]  0.3BR[Tm]– 速度は• 飛行時間差（Time Of Flight)• エネルギー損失(dE/dx)測定• チェレンコフ光など

95Test beam result
Test Beam setup
AerogelClear Cherenkov image observed
Cherenkov angle distribution
Hamamatsu HAPD
Q.E. ~33% (recent good ones)

Single photon angle resolution 0 = 13.5mrad# of photoelectrons Npe = 15.3

6.6 σ p/K at 4GeV/c ! 96